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1、第3期纤维复合材料No3292010年9月FIBERCOMPOSITESSep.,2010产品应用碳纤维复合材料斜拉索的发展徐茂凯(哈尔滨玻璃钢研究院,哈尔滨150036)摘要本文介绍了碳纤维复合材料(CFRP)斜拉索具有耐腐蚀、耐疲劳、轻质高强等优点以及碳纤维斜拉索的构成和性能。国外许多工程已经将它应用于新建的桥梁中,可以看出,CFRP斜拉索将是解决钢拉索的疲劳、腐蚀问题的根本途径。关键词碳纤维复合材料;斜拉桥;拉索TheDevelopmentofCarbonFiberReinforcedPlasticCablesXUMaokai(HarbinFRPInstitute,H
2、arbin150036,China)ABSTRACTThispaperdescribesthematerialcharacteristicofCFRPcables.Mechanicalpropertiessuchascorruptionresistance,fatigueresistance,lightweight,highstrengthareinvestigated.CFRPcableshavebeenusedinthebuildingofbridges.ItisthoughtthatusingCFRPcableswillbetheessentialapproachtosettl
3、ethefatigueandcorrosionproblemsofsteelcables.KEYWORDSCarbonfiberreinforcedplastic(CFRP);Longspanbridge;Cable61引言10次循环荷载下未发生破坏,其疲劳强度约为相同条件下钢索的4倍。斜拉桥具有跨越能力大、结构轻巧美观、空气动(3)比强度大,比模量高以及密度轻力稳定性好等优点,在最近二十年内,斜拉桥获得了碳纤维复合材料(CFRP)具有极小的密度,密飞速发展。但是,目前斜拉桥的发展也面临着一个度大概是钢材的四分之一,而且其抗拉性能优良。严峻挑战,特别在海湾或海峡上修建的桥梁,环境
4、条因此,在受力相同的情况下,采用轻质、高强的碳纤件更为恶劣,传统的钢材的耐腐蚀性将受到严重挑维复合材料作为拉索,可减轻拉索自重、提高桥梁跨战。海湾或海峡所处的腐蚀环境为海洋性大气环越能力以及减小下部结构尺寸,从而对降低综合经境,海洋大气中含有大量的氯化物微粒,其中的氯离济指标及施工技术难度具有十分重要的意义。子有很强的侵蚀性,是加剧腐蚀的主要介质之[1]一。钢材在应力和腐蚀介质共同作用下会加速3碳纤维复合材料(CFRP)斜拉索腐蚀,且应力越高腐蚀越快。3.1碳纤维复合材料(CFRP)斜拉索构成2碳纤维复合材料(CFRP)斜拉索碳纤维斜拉索的索股通常为多股绞线组成,最具有的优点常用
5、的为7、19、37股,标称直径分别为15mm、25mm、35mm,很小直径的则有单股组成,一般单股(1)耐腐蚀性直径为5mm,长度从几十米到上百米不等。然后在碳纤维复合材料(CFRP)与钢材相比极耐腐碳纤维索股的外面套上一层高密度聚乙烯保护套蚀,如果使用CFRP材料建造海上桥梁,可以不必担(HDPE),在中间则添充树脂或沙浆。在高密度聚心腐蚀问题。乙烯保护套制造的过程中加入了炭黑填料来保护斜(2)耐疲劳性拉索免受紫外线的辐射作用。图1为组装后的碳纤碳纤维复合材料(CFRP)的疲劳性能也远优于维斜拉索。在结构工程中应用的CFRP拉挤索的基钢索,已有试验证明:19根单丝的CFRP缆索在
6、230纤维复合材料2010年体材料有聚酰亚胺树脂、聚乙烯树脂和环氧树脂等。的树脂提高它的耐火性能。由于树脂密度较小,使CFRP斜拉索具有良好的强4碳纤维复合材料(CFRP)斜拉索的度质量比。国内外发展情况实际上,早在1986年瑞士桥梁学者就提出在直布罗陀海峡建造主跨为8400m的碳纤维复合材料[4]拉索斜拉桥结构的大胆设想。1995年我国学者根据本世纪以来斜拉桥结构的发展历程,又提出了发展第四代斜拉桥结构#新型复合材料斜拉桥的观图1组装后的碳纤维复合材料斜拉索点,并从结构设计、施工、技术经济优势等角度探讨了具体应用的可行性。表2列出了目前国内外已经3.2碳纤维斜拉
7、索的性能建成并应用的碳纤维复合材料(CFRP)斜拉索桥。常见的碳纤维斜拉索的弹性模量比钢材的低,表2国内外应用CFRP斜拉索的斜拉桥在140GPa左右,但国外己有厂家生产出弹性模量桥名建成时间跨度m/长度m所属国家与钢丝相近甚至更高的CFRP材料,CFRP拉索具有Stork桥199661/124瑞士很高的轴向抗拉强度,超过现有的高强钢丝或钢绞Tskuba桥199611/20日本线,其值一般为2000~3000MPa,但其抗剪强度低,Herni
