刘礼华， 朱元林，3， 秦斌， 樊秋杨，3， 严郑应， 陈列虎

（1.法尔胜泓昇集团有限公司, 江苏 江阴 214434； 2.江阴市交通工程建设管理中心，江苏 江阴 214400；3.江苏法尔胜纤维材料科技有限公司，江苏 江阴 214445； 4.中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230022）

引 言

近年来，随着新建桥梁跨度不断提升，传统钢索在实际工程应用中由于其自重较大，已成为制约斜拉桥提升跨度的关键因素；同时，现役的诸多桥梁工程中出现了不同程度的腐蚀损伤和疲劳等问题，亟需一种耐腐蚀和抗疲劳性能优异的新型缆索材料。

CFRP具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等优异特性，在复杂和极端环境中使用具有一定优势，已成为21世纪建筑行业的理想材料［1］。中国为推动碳纤维产业发展，在土木工程领域已部署了碳纤维复合材料发展应用的研究，将“先进结构与复合材料”列入科技部“十四五”国家重点研发计划，同时立项了“川藏铁路桥梁用大吨位碳纤维复合材料拉索”等项目，可见碳纤维产业的发展具有极高的国家战略地位。

缆索和拉索是现代桥梁建筑的主要承重和传力构件。相较于传统钢索，CFRP索有轻质（CFRP索密度约为钢索的1/5）、高强、耐腐蚀、抗疲劳等方面的优势，在桥梁中采用CFRP索，理论上能有效延长桥梁服役寿命和降低全周期总投资，促进社会与国民经济可持续发展。因此，CFRP索在未来的大跨甚至超大跨桥梁应用中有着广阔的前景。

1 CFRP索简介

CFRP索由多根CFRP筋通过平行排布成索股后，配套锚具和外包PE保护层制造而成，CFRP索股如图1所示。

图1 CFRP索股截面Fig.1 CFRP cable cross section

CFRP索与钢索主要性能参数对比如表1所示［2-3］。

表1 CFRP索与钢索力学性能对比Tab.1 Comparison of mechanical properties between CFRP cables and steel cables

CFRP索也存在着一些缺点，如价格高、锚固困难、韧性和抗剪强度差等。近年来，国内碳纤维复合材料产业正处于高速发展阶段并取得了一定成果，如产品的综合性能获得突破性进展，生产成本进一步降低，随着开发和研制的多种CFRP索锚固系统长期应用可行性的逐渐验证，桥梁大规模应用CFRP索将成为可能。

2 桥梁用CFRP索应用案例

1987年，瑞士联邦实验室Meier教授提出建造一座主跨为8400 m的大跨斜拉桥来跨越直布罗陀海峡这一设想［4］，缆索采用CFRP斜拉索。自此，国内外学者们不断探索、创新不同结构的CFRP索，对于推进CFRP索结构发展具有重大的现实意义。以下将按照时间顺序，介绍一些具有代表性的国内外应用CFRP索的桥梁工程案例，包括其结构及锚固形式。

2.1 筑波（Tsukuba）人行斜拉桥

于1996年3月竣工的筑波人行斜拉桥是世界上第一座CFRP索全FRP结构桥，如图2（a），（b）所示［5］。该桥有三跨，主塔采用玻璃纤维增强复合材料，桥面为玻璃纤维增强复合材料型材并采用CFRP薄板加固，全桥24根斜拉索采用了两种CFRP筋，分别为三菱化学公司生产的Leadline筋和东京制纲生产的CFCC-7束绞线。该桥开发了一种粘结型锚固系统，即使用CFRP管作为锚固套筒，利用膨胀砂浆产生足够的粘结力来锚固CFRP筋［3］，如图2（c）所示。

图2 筑波人行斜拉桥Fig.2 Tsukuba pedestrian cable-stayed bridge

2.2 Stork公路斜拉桥

位于瑞士Winterthur的Stork桥于1996年10月27日竣工通车，是世界上第一座采用CFRP索的公路斜拉桥。该桥为单索塔双索面布置，如图3（a）所示［5］，全长124 m，总共24根斜拉索，其中2根是CFRP索，其余采用高强钢绞线拉索［6］。每根CFRP索由241根直径5 mm的CFRP筋平行排列组成，如图3（b）所示，其极限承载力可以达到12 MN［3］。EMPA开发了一种梯度锚固系统的锚固装置适用于该桥CFRP索的锚固，如图3（c）所示。通过荷载传递介质刚度的渐变来缓解锚固区的应力集中，其原理是：在锚具金属端头与CFRP筋材之间的缝隙内采用荷载传递介质“LTM（Load Transfer Media）”填充，主要作用是在CFRP与锚具两种不同弹性模量的材料间形成平缓过渡，端头受荷处的弹性模量稍低，向后端逐步增大，防止出现剪应力峰值剪断CFRP索，LTM的材料是表面涂有环氧树脂且大小相同的氧化铝颗粒，通过改变树脂涂层厚度达到弹性模量由低到高的转变［7］。以此达到长期可靠锚固CFRP索的目的。

图3 Stork斜拉桥Fig.3 Stork cable-stayed bridge

Stork桥在世界桥梁发展史中具有里程碑意义，原因是该桥不仅是世界上第一座CFRP公路斜拉桥，而且还通过安装传统传感器和先进的光纤传感器实现了应力、应变的长期监测［8］，如图3（d）所示。使理论模型和实际应用结果相互验证，为CFRP索应用在更大跨度桥梁上提供了理论和现实依据。

2.3 明石海峡大桥

于1998年4月5日通车的明石海峡大桥为跨双铰加劲桁架悬索桥，主跨1991 m，如图4所示。其主缆为PWS钢丝索，为高强度镀锌钢丝（极限强度为1800 MPa），采用常规防腐体系。长吊索采用平行钢丝索，部分短吊索采用CFRP索。

图4 明石海峡大桥Fig.4 Akashi strait bridge

2.4 Neigles人行斜拉桥

位于瑞士弗里堡的萨那河上的Neigles人行桥是世界上第一座CFRP索悬索桥，如图5（a）， （b）所示［5］。由于该桥钢索主缆被严重腐蚀，于1998年11月将两根主缆替换为两根由东京制纲制造的CFRP拉索。每根CFRP索为16根CFCC绞线平行布置，CFCC绞线由7股CFRP筋构成，直径为12.5 mm，该拉索承载能力为2272 kN。同时，该桥拉索采用了东京制纲专为CFCC绞线开发的粘结型锚固系统，该系统由一个锚固端头和16个树脂填充锚固件组成，如图5（c）所示。锚固长度约为CFCC绞线直径的13.5倍［3］。

图5 Neigles人行桥Fig.5 Neigles pedestrian bridge

2.5 Herning人行斜拉桥

于1999年6月竣工的Herning桥是在丹麦海宁附近跨越铁路调度站的一座单塔双索面人行斜拉桥，如图6（a）， （b）所示。全桥16根CFCC绞线索均由东京制纲生产，每根拉索由37丝CFRP筋构成，其承载力为1070 kN。所有拉索均由工厂以固定长度与树脂填充锚固。该锚固系统主要由直筒型钢套筒和树脂组成，如图6（c）所示［5］。螺母安装在钢套筒后部并连接到桥梁的主梁或者索塔上。这种锚固装置与Neigles CFRP人行桥上的树脂填充锚固类似，区别是该锚具尺寸更大，可以锚固更大规格和拉力的CFCC绞线索［3］。

图6 Herning人行斜拉桥Fig.6 Herning pedestrian cable-stayed bridge

2.6 I-5/Gilman桥

于2002年竣工的美国I-5/Gilman桥是一座公路斜拉桥［9］，全长137.2 m，采用FRP材料设计制造，如图7（a）， （b）所示。该桥为单塔双索面扇形斜拉桥，采用6根CFRP索和6根AFRP（芳纶纤维增强材料）索取代部分传统钢索。

图7 I-5/Gilman斜拉桥Fig.7 I-5/Gilman cable-stayed bridge

2.7 Laroin人行桥

于2002年竣工的Laroin人行桥位于法国Laroin，是一座单跨双索塔双索面单跨斜拉桥，主跨长110 m，宽2.5 m，桥两侧各有8根CFRP斜拉索，如图8（a）所示［5］。根据不同荷载情况，靠近索塔的8根拉索每根包含2个模块，其余8根拉索包含3个模块，如图8（b）所示。该桥拉索采用模块化结构，每个模块包含一组平行的7根CFRP筋（由法国SOFICAR公司生产）和一套模块化夹片锚具，开发的这种模块化楔形式夹片锚具能有效锚固该拉索，如图8（c）所示。考虑到锚具夹持装置可能对CFRP拉索造成横向损伤，每根筋材都采用铝护套进行保护。该模块化结构主要有以下优势：①整体锚固可以使锚固件更紧凑，减小尺寸；②有利于标准化施工；③每个模块都经过成熟的研究，因此，不再需要重新研究不同拉索尺寸的锚具，采用模块化设计、组装即可，有利于快速设计和降低成本［3］。

图8 Laroin人行斜拉桥Fig.8 Laroin pedestrian cable-stayed bridge

2.8 江苏大学人行斜拉桥

2005年国内首座CFRP索人行斜拉桥竣工，位于江苏大学校内，全桥采用CFRP索，如图9（a）所示。该桥为单塔双索面形式，索塔两侧各布置4对拉索，跨度约为50 m，桥面宽5 m，设计人群荷载为3.5 kN/mm2。制索采用Leadline型CFRP筋，直径为8 mm，由日本三菱公司生产。该桥采用3种不同规格的CFRP索，共16根，包括2束16-D8、2束11-D8、6束6-D8，如图9（b），（ c）所示。同时相关学者围绕其展开了数值分析、加载试验和变形监测等一系列研究［10-14］。

图9 江苏大学人行斜拉桥Fig.9 Jiangsu University pedestrian cable-stayed bridge

2.9 Penobscot斜拉桥

于2006年12月通车的Penobscot斜拉桥位于美国缅因州，是美国第一座采用CFRP拉索的斜拉桥。该桥为双索塔单索面斜拉桥，跨度为146 m+354 m+146 m，索塔高136 m，如图10（a），（b）所示［5］。该桥设计团队和劳伦斯理工大学在现有CFCC树脂充填锚固基础上，开发了一种新型“高膨胀材料填充”锚固方式，如图10（c）所示。这种锚固装置是中空螺纹套筒结构，套筒外部为锚固螺母，作用是将该锚固装置固定到结构上。将高膨胀性水泥砂浆填充在绞线和套筒之间。由于在固化过程中膨胀产生足够的径向压力（约为75.8 MPa），以此达到锚固CFRP索的作用。此外高膨胀性水泥砂浆相比于普通砂浆拥有较小的蠕变系数，能有效缓解锚固端的蠕变。全桥40对拉索均由7股平行CFRP绞线组成。这些拉索并没有固定在索塔上，而是穿过索塔上的支架锚固在梁上，如图10（d）所示。该桥通车半年后选择西面索塔三对不同长度的钢索（86 m，198 m，300m）替换为CFRP索。替换的CFRP索是由东京制纲生产的CFCC1×7股CFRP绞线。

2.10 矮寨悬索桥

于2007年10月动工兴建，2012年3月通车运营的矮寨悬索桥为湖南省吉茶高速公路建设的控制性工程［15］，为塔梁分离式悬索桥，如图11（a）所示。该桥主跨1176 m，采用了一种新型岩锚吊索体系，即吊杆不与加劲梁连接而是与地面连接。同时，制索采用了东京制纲生产的直径12.5 mm的CFRP绞线，避免了传统钢绞线锈蚀等问题。该CFRP索岩锚体系使用活性粉末混凝土（RPC）［16］作为锚杆的粘结材料，如图11（b）所示。CFRP索在矮寨悬索桥的成功应用，为今后该岩锚体系在大型悬索桥上的应用提供了现实案例。

图11 矮寨悬索桥Fig.11 Aizhai suspension bridge

2.11 斯塔德巴恩大桥

于2020年5月竣工的德国斯图加特的斯塔德巴恩大桥，是世界上第一座完全悬挂在CFRP吊索上的网式斜吊杆拱桥，如图12（a）所示。该桥跨径127 m，全桥72根吊杆均采用了EMPA开发的CFRP吊杆索，其极限拉伸载荷为1800 kN，抗拉强度为2170 MPa，弹性模量为180 GPa，如图12（b）所示。该案例中，由于CFRP索出色的疲劳性能，其横截面积约为钢索的1/4［17］，使CFRP索的初始成本就低于钢索。该桥的成功应用充分证明了CFRP索在其优异性能的加持下同样也能具备经济优势，使未来更大跨度的网式斜吊杆拱桥应用成为可能。

图12 斯塔德巴恩大桥Fig.12 Stadbahn bridge

2.12 高邮三垛西桥

于2021年通车的高邮三垛西桥是国内首座应用CFRP索的公路桥［18］，桥跨组成为：9×20 m+92.64 m+10×20 m，全桥长479.12 m，桥面宽度12.8 m，实景如图13（a）所示。全桥共采用32根吊杆，其中4根2#索采用CFRP吊杆索，CFRP吊杆索规格为Φ7-31，其公称破断拉力大于3136 kN，拉伸强度大于2600 MPa，弹性模量大于166 GPa，其结构示意图如图13（b）所示。该桥CFRP索采用了法尔胜泓昇集团生产的直径7.0 mm的CFRP筋，同时该桥的部分CFRP索配备了光纤光栅智能筋索力自监测系统，用于桥梁索力的监测，为CFRP索在桥梁工程上的长期应用提供了重要参考依据。

图13 高邮三垛西桥Fig.13 Gaoyou Sanduo west bridge

2.13 徒骇河大桥

于2022年5月1日正式通车的山东聊城市兴华路徒骇河大桥是国内首座千吨级CFRP索公路斜拉桥，如图14（a）所示。该桥全长384 m，主桥跨径100 m+100 m，为单索塔双索面结构。全桥共68根Φ7-121钢丝斜拉索，4根Φ7-121CFRP斜拉桥索，CFRP索长13.06 m，如图14（b）所示。其公称破断拉力为10075 kN，弹性模量大于160 GPa。该桥的成功应用标志着国产CFRP索首次应用于斜拉桥，推动了国产CFRP索在桥梁工程中的发展。

图14 徒骇河大桥Fig.14 Tuhai river bridge

2.14 江阴黄山路斜拉桥

于2023年5月完成吊装的江阴黄山路斜拉桥为独塔双索面斜拉桥，是拓展城市发展空间的重点工程，如图15（a）所示。该桥总长248 m，跨径（30+100+88+30）m，桥宽36.5 m。全桥采用46根Φ7-121钢丝斜拉索，2根Φ7-91CFRP斜拉索，CFRP索长约67.5 m，如图15（b）所示。其公称破断拉力为9100 kN，拉伸强度为2600 MPa，弹性模量大于160 GPa。该桥是国内首次最长CFRP索在斜拉桥上的示范应用，为后续大跨径桥梁建设奠定了技术基础。

3 结 语

CFRP索具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳的优异性能，将其用于桥梁缆索，已成为提高桥梁跨径与耐久性的一个发展方向。本文主要介绍了国内外具有代表性的应用CFRP索的实桥案例，充分证明了CFRP用于桥梁的可行性。随着国产碳纤维及复合材料产业的高速发展以及CFRP索在实际工程应用中的诸多探索性尝试，CFRP索在桥梁乃至其他工程领域将得到更加广泛的应用。未来，CFRP索将服务国家重大战略工程建设：常泰长江大桥拟采用CFRP水平索［19-20］，利用其热膨胀系数低的特性形成温度自适应塔梁纵向约束体系；川藏高原铁路桥梁拟采用大吨位CFRP索，利用其耐腐蚀性能及良好的冻融性能来提高桥梁缆索在恶劣环境下的服役寿命。