用于索结构的碳纤维增强聚合物(CFRP)研究综述
说桥2021-01-24 18:59
用于索结构的碳纤维增强聚合物(CFRP)研究综述
刘越，Bernd Zwingmann ，Mike Schlaich
摘要：碳纤维增强聚合物(CFRP)是一种先进的复合材料，具有强度高、重量轻、无腐蚀、抗疲劳性能优异等优点。因此，单向CFRP在索结构中具有很大的发展潜力，可以取代钢索。然而，CFRP是一种典型的正交各向异性材料，垂直于纤维方向的强度和模量远低于纤维方向的强度和模量，这给CFRP索的锚固带来了挑战。本文概述了CFRP索在索结构中的应用，包括历史回顾、现状和未来展望。在介绍碳纤维的性能、力学特性和CFRP索的结构形式后，对国内外现有的CFRP索结构(均为桥梁)进行了综述。尤其详细介绍了它们的CFRP锚固系统。本文还介绍了CFRP索的新应用，即索屋顶和索外墙，包括一个CFRP索顶原型的介绍及一种新型结构- CFRP索带连续缠绕的概念设计。此外，简要介绍了其他阻碍CFRP索结构广泛应用的挑战。
关键词：纤维增强聚合物；CFRP索; 索结构；锚固
1． 引言
索结构可以定义为一种结构，其中一根索或一套索系统作为明显的主要承重结构元件【1】。
人类建造索结构的历史可以追溯到石器时代。当时，人们利用藤蔓和攀缘植物作为缆绳建造吊床【2】和吊桥【3】。除了建造在陆地上的索结构外，索还被用于海上的帆船上，已有数千年的历史【4】。
索的材料从古代的植物纤维发展到熟铁再到今天的高强度的钢。回顾索结构的历史，可以发现，索材料的发展可以显著促进索结构的发展。这种发展主要体现在索结构跨度和索结构形式两个方面。例如，高强度钢索的可用性允许建造大跨度索结构，如跨度超过1000米的现代悬索桥; 它也使新的索结构形式的建造成为现实，如索屋顶和索外墙。几种典型的现代钢索结构如图1所示。
图1 典型的现代钢索结构：（1）悬索桥、公路大桥Khor al Batah，阿曼（图片来源：STRABAG）（2）斜拉桥、Evripos桥、希腊（图片来源：sbp）；（3）索桁架屋顶，附件Lutherhaus屋顶，德国（图片来源：莫妮卡Nikolic）；（4）悬索屋顶，车站广场海尔布隆玻璃天棚，德国（图片来源：sbp）；（5）索桁架外墙，外观机场马拉加、西班牙（图片来源：Roschmann）；（6）鞍型索网，树冠Autostadt沃尔夫斯堡，德国（图片来源：sbp）；（7）索网塔、干燥冷却塔在Hamm 附近的Schmehausen，德国（图片来源：sbp）；（8）拱形塔钢索支撑屋顶，摩西马比达体育场，南非（照片来源：sbp）；（9）辐条轮索屋顶，湾竞技场德国勒沃库森，（图片来源：拜尔勒沃库森傅球GmbH）
碳纤维增强聚合物(CFRP)是一种由碳纤维增强的聚合物树脂制成的高级非金属复合材料【5】。它具有高强度、轻量化、无腐蚀、高抗疲劳等优良性能。因此，碳纤维布具有很大的发展潜力，可以在索结构中替代钢索，极大地促进其发展。
本文对碳纤维在索结构中的应用进行了综述。首先，介绍了碳纤维和聚合物基体的特点。第二，比较了碳纤维索与钢索的形式和力学性能差异。然后，对世界各地现有的CFRP索结构进行了图片和图纸的展示，包括结构样式、几何形状和设计细节;其中，对CFRP锚固件的使用给予了特别的关注。此外，还介绍了碳纤维索在索结构中的新应用，即碳纤维索屋顶和碳纤维索外墙。同时，简要介绍了除锚固外，CFRP锚索在索结构中广泛应用所面临的耐火性能差、单价过高等问题。通过本文的回顾，清楚地展示了碳纤维索结构的现状和未来的发展。
2. CFRP的合成
顾名思义，碳纤维增强聚合物(CFRP)是由碳纤维嵌在一种聚合物树脂【6】中，其中碳纤维作为增强材料，聚合物树脂作为基质来保持纤维。CFRP的典型结构如图2所示。
图2 碳纤维增强聚合物(CFRP)的典型结构。
2.1 碳纤维
碳纤维是指含有至少90%重量和不超过100%重量的碳的纤维。它们可以由聚丙烯腈(PAN)、纤维素、沥青和聚氯乙烯等高分子前体材料制成。这些前体通过一系列的加热和拉伸【7】处理操作转化为碳纤维。
从宏观的角度来看，碳纤维是非常细的细丝(直径约5-10微米)，是人类肉眼能看到的最小直径。图3将碳纤维的大小与人类头发的大小进行了比较。
图3 碳纤维与人类头发的对比(图片来源:Anton)
人们认为碳纤维是1879年由托马斯·爱迪生发明的，作为早期灯泡的灯丝【8】。20世纪中叶，高性能碳纤维开始生产【9】。经过几十年的发展，现在市场上有各种不同强度和模量的碳纤维。表1列出了三种常用碳纤维的力学性能，并与两种典型钢材料进行了对比[10-12]。
表1 碳纤维与钢材料的力学性能比较
如表1所示，碳纤维的抗拉强度均高于钢材料，但密度却远低于钢材料。断裂长度是表征材料高强度和轻量化特性的一个很好的参数。它的定义是可以悬挂自身重量的最大悬挂长度，可以用σu/(ρg)计算，其中g是标准重力常数。从表中可以看出，碳纤维的断裂长度比钢材料的断裂长度大一个数量级。
2.2 高分子树脂
CFRP的聚合物树脂主要有两种类型，即热塑性树脂和热固性树脂。聚合物的分类是基于其热(热-机械)响应[13]。
虽然热塑性树脂和热固性树脂听起来很相似，但它们的分子结构不同，因此具有非常不同的性能。
热塑性树脂是由分子间相互作用或范德华力连接起来，形成线性或支链分子结构的聚合物。这种线状或支状的分子结构只能对分子链的运动提供相对较小的限制，这使得固化后的热塑性塑料在热压作用下可重熔易处理【14】。
然而，热固性树脂是由化学键连接在一起的聚合物，形成高度交联的分子结构。这种交联结构极大地限制了分子链的运动，使得固化后的热固性材料在加热后不易熔化和固化【14】。
这两种聚合物树脂的分子结构如图4【13】所示.
热塑性树脂
热固性树脂
图4 热塑性树脂和热固性树脂的分子结构
几种常用高分子树脂的力学性能见表2[10,15]。
表2 常用高分子树脂的力学性能。
对比表1和表2可以看出，聚合物树脂的密度比碳纤维略小，而碳纤维的强度和模量比聚合物树脂大数量级。然而，由于碳纤维的丝状性质，他们不能作为独立的工程材料应用，必须与高分子树脂协同使用，以实现其优越的机械性能。
碳纤维与聚合物树脂之间的强度和模量的差异使之成为可能，CFRP是一种典型的正交各向异性材料。在纤维方向上，CFRP主要表现出碳纤维的力学性能，即相对较高的强度和高模量。但在垂直于纤维轴的方向上，CFRP主要表现为聚合物树脂的力学性能，即强度较低，模量较低。这种强各向异性导致CFRP索锚固困难。
3. CFRP索
大约50年前，高性能碳纤维发明后不久，CFRP首次制造并应用于航空航天工业【16】。在建筑行业，CFRP的第一次实际应用是在1991年，用于加固瑞士Lucerne的Ibach桥【8】。自此以后，越来越多的CFRP制品被用于加固、修补、加劲和预加应力，也用于索结构中的索。
CFRP索的制造通常采用单向CFRP材料，即沿着纤维方向的碳纤维增强塑料力学性能，如抗拉强度u和弹性模量E，通常大约为60%的碳纤维，这是因为碳纤维体积分数通常是60%。还应该指出，CFRP索的u和E的通常略小于相应的CFRP材料，这类似于钢丝与钢索的关系。根据结构形式的不同，现有的CFRP索主要分为四种类型，如图5所示。
图5 CFRP索的四种主要类型(a)板状CFRP索，可采用拉挤或层压方式制造；(b)带状环形的CFRP索，它是通过将连续的CFRP带缠绕在两根销钉上来制造的；那么带状环形的CFRP索可以选择层压或非层压；(b)棒状的CFRP索，通常采用拉挤方式制造；这种CFRP索可由单根棒或棒束组成，CFRP棒可以是普通的圆形，也可以是变形的。(d)绞线形式的CFRP索，它是通过将几根CFRP线缠绕成螺旋状来制造的，所用的CFRP绞线通常是通过拉绕生产的。
表3[14，17-20]比较了四种不同形式的CFRP索与自锁钢丝绳的力学性能。CFRP索均由60%的纤维体积的标准碳纤维丝组成。自锁钢丝绳是现代索结构中常用的一种索型。从表3可以看出，CFRP索的抗拉强度高于钢索，而密度仅为钢索密度的1/5左右。
表3 CFRP索与钢索的力学性能比较
除了高强度、低重量、CFRP索比钢索有更好的耐腐蚀和抗疲劳性和更低的热膨胀性能。此外，由于碳纤维具有优异的抗蠕变性能，CFRP索的应力松弛非常小，不需要限制持续拉应力[10]。
除了上述优势, CFRP索缆也有一些缺点,包括比钢索的弹性模量较低(见表3),很难被锚固，锚固较高的成本可能对CFRP索的应用有负面的影响。
4. 现有CFRP缆索结构
由于上述高性能，自1982年以来，CFRP一直被考虑用于索结构中【21】。1987年，EMPA的Meier教授提出了建造一座主跨8400米横跨直布罗陀海峡的CFRP斜拉桥的构想【22】。
在实际的索结构中首次使用CFRP索要追溯到1996年【23】。从那时到现在，世界上已经有10个CFRP索结构，尽管它们都或多或少是试验建造的。现将现有的CFRP索结构列举并介绍如下。
4. 1 筑波FRP桥
据作者所知，筑波FRP桥是世界上第一座CFRP索桥。此外，它也是一个全FRP结构。这座建筑位于日本茨城市，由筑波公共工程研究所设计，于1996年3月竣工。筑波FRP桥的照片和效果图如图6所示【23】。
图6 筑波FRP桥，(a)照片(照片来源:Iwao Sasaki)和(b)图纸。
筑波桥是一座三跨行人斜拉桥（见图6），桥塔间主跨为11.0 m，两侧跨为4.5m。桥塔采用玻璃钢结构，桥面采用GFRP结构，并采用GFRP层板加固，24根斜拉索全部采用CFRP结构。具体来说，该桥采用了两种CFRP索，一种是三菱化学公司的LEADLINE牌棒材，另一种是日本东京制绳有限公司的CFCC 7线筋。设计了一种由CFRP管和膨胀砂浆组成的特制锚固装置来固定这些CFRP斜拉索。该锚固器的示意图如图7[23]所示。
图7 筑波FRP桥采用的锚固系统，(a)全视图，(b)透明视图。
上图所示的CFRP索是锯齿状的LEADLINE棒材。锚固的CFCC 7线材是完全相同的。该锚固系统采用CFRP管作为锚固套筒，采用膨胀砂浆产生足够的粘结力进行锚固。
4. 2 Stork桥
Stork桥是世界上第一座CFRP索公路斜拉桥。这座桥位于瑞士温特图尔，由OMG和合作建筑师AG和Holtschi & Schurter AG设计。经过一年半的建设，这座桥于1996年10月27日竣工通车。图8为Stork桥的照片和图纸【24】。
图8 Stork桥，(a)照片(照片来源:EMPA)和(b)图纸
Stork桥是单塔双索面斜拉桥（图8)。它有24根拉索。其中两根是CFRP索，其余是普通钢缆。
这两根CFRP索是35米长的平行杆束。每束碳纤维杆包含241根直径5mm的·CFRP杆。每根索的承载能力为12MN。为了承载如此大的力，EMPA开发了一种特殊的锚固系统——梯度锚固系统。该锚固器的示意图如图9所示【25】。
图9 梯度锚固系统，(a)全视图和(b)透明视图。
上面的锚固系统是由一个内锥形钢套筒和荷载传递的砂浆组成，该砂浆采用混合法制备，在直径约2mm的Al2O3陶瓷颗粒 (图9b中浅黄色颗粒)中注入环氧树脂(图9b中黑色锥)。从钢套筒的一端至另一端，树脂中颗粒的分布密度逐渐增大，从而达到具有梯度弹性模量的锚固砂浆。与普通锥形砂浆锚固【25】相比，该锚固的原理如图10所示。
图10 梯度锚固系统原理:(a)正常锥形砂浆锚固和(b)梯度锚固系统
在普通锥形砂浆锚固中，锚固砂浆的弹性模量是恒定的。这将导致CFRP杆在钢套筒的一端出现严重的剪应力集中(见图10a)。然而，由于砂浆的弹性模量逐渐增加，CFRP杆的应力峰值在梯度中可以显著降低(见图10b)。因此，锚固效率将大大提高【25】。
在将CFRP锚固系统应用于Stock桥之前，在EMPA进行了一系列的试验和分析。实验和理论结果均表明，梯度锚固系统的锚固效率高于92% [24]。
4.3 奈格斯 CFRP人行桥
奈格斯CFRP人行桥是世界上第一座采用CFRP索的悬索桥。这座桥横跨拉萨林河，位于瑞士弗里堡。最初的奈格斯人行桥是用钢索建造的。然而，由于严重腐蚀，钢主缆在1998年11月被拆除，并被CFRP索取代。奈格斯 CFRP人行桥图片及效果图如图11所示[26,27]。
图11 奈格斯CFRP人行桥，(a)照片(照片来源:东京绳索)和(b)图纸。
奈格斯CFRP人行桥是一座单跨行人悬索桥(见图11)。它有两根CFRP主索，由东京制绳有限公司制造。每根索由16根平行的CFCC 7线股组成，其承载能力为2272 kN。这些索由聚乙烯护套保护，并由多树脂填充锚固系统锚定。该锚固系统示意图如图12【23,26】所示。
图12 多树脂充填锚固系统，(a)全视图(b)透明视图
该锚固系统由一个锚固头和16个树脂填充锚固件组成。每一个CFCC 7绞线采用树脂填充锚固，这是东京制绳公司为CFCC绞线开发的一种锚固系统。在这个锚固系统中，绞线用一种特殊的树脂进行粘结，锚固长度约为绞线直径[23]的13.5倍。树脂填充锚固物不仅用于这座桥，也用于其他许多项目，包括下面的赫宁CFRP桥(见4.4节)。
4.4 赫宁CFRP桥
赫宁CFRP桥是一座人行天桥，横跨附近的铁路开关站赫宁,丹麦。该桥由COWI A/S设计，于1999年6月竣工。Herning CFRP人行桥的照片和图纸如图13所示[28]。
图13 赫宁CFRP桥，(a)照片(照片来源:COWI)和(b)图纸。
赫宁人行桥为单塔双线斜拉桥(见图13)。共有16根斜拉索，全部为CFRP斜拉索。这些CFRP索是东京制绳有限公司生产的CFCC 37绞线，直径40毫米。每根索的承载能力为1070KN，所有索均由工厂提供，长度固定，采用树脂填充锚具。该锚固器的示意图如图14所示【28】。
图14 树脂充填锚固，(a)全视图和(b)透明视图。
上述锚固系统主要由直管型钢套筒和特殊树脂填充物组成。锚固长度约为索直径的13.5倍。在钢套筒后方设置锚固螺母，与桥梁的其他部分连接【28】。
这种锚固与奈格斯 CFRP人行天桥中应用的树脂填充锚固非常相似 (见4.3节)。唯一的区别是，这种锚固系统尺寸更大，锚固更多的CFCC绞线。
4.5 Laroin CFRP人行桥
Laroin CFRP人行桥横跨Gave du Pau河，位于法国Laroin。这座桥由Freyssinet国际设计，于2002年完工。Laroin CFRP人行桥的照片和图纸如图15所示【29】。
图15 Laroin CFRP人行桥，(a)照片(照片来源:Freyssinet)和(b)图纸。
Laroin CFRP人行桥为双塔双索面单跨斜拉桥（见图15）。主跨长110米，宽2.5米，由8对CFRP斜拉索支撑。背索采用标准钢索，锚定在地面的混凝土锚块上。16根CFRP索，长度20 - 45米，采用模块化结构，每个模块由平行的7根CFRP棒组成。根据不同的荷载情况，塔附近的四对索含两个模块（即采用2×7根CFRP棒），其余四对索包含两个模块（即两个7杆束），而其他四对靠近中间跨包含三个模块（即采用3×7根CFRP棒）。由SOFICAR公司生产的CFRP棒直径为6毫米，承载能力为70KN。为了锚定这些CFRP索，Freyssinet开发了一种名为模块化夹紧锚定的专利锚定系统。这个锚固器（一个模块）的示意图如下]所示【29】。
图16显示了模块化夹具锚固系统的一个模块。图中，CFRP索的一个模块，即 7根CFRP棒组成的索，被楔型锚固器夹持成一组。为防止CFRP因直接夹紧而造成横向损伤，每根棒材都有铝护套保护。上面显示的每个锚固点是一个模块，CFRP索缆的每个端包含两个或三个这些模块锚固点【29】。
图16 模块化夹具锚定(一个模块)，(a)全视图和(b)剖视图
采用模块化锚索和模块化锚固有两个主要优点。首先，将一束CFRP钢丝整体锚定在一个模块中，而不是分别锚定。这样可以使锚固体紧凑，减小尺寸。其次,与传统CFRP锚固件是一种独特的锚固件，这种锚固件由标准的单个模块组装而成。由于各个模块的研究已经成熟，不同尺寸的锚固件不再需要研究，只需简单地用几个模块组装即可。这有利于锚固设计，降低成本【29】。
4.6 江苏大学CFRP人行桥
江苏大学CFRP人行桥是一座斜拉桥，位于中国镇江。它是由东南大学、江苏大学和北京TXD科技公司共同设计的。经过一年的建设，大桥于2005年5月底竣工。该桥的照片和图纸如图17所示【30】。
图17 江苏大学CFRP人行桥，(a)照片(照片来源:奎花梅)和(b)图纸。
江苏大学CFRP人行桥为单塔双索面斜拉桥(见图17)。所有16根斜拉索均由CFRP平行杆束构成。CFRP筋采用三菱化学公司生产的8mm Leadline 锯齿杆。根据不同的承载要求，采用三种不同根数的索(见图17)。索的承载能力分别为:720KN (6×8mm)、1320KN (11×8mm)、1920KN (16×8mm)。CFRP锚固件是一种专门设计的锚固件，称为直管内锥形锚固件。该锚固器的示意图如图18[30,31]所示。
图18 直管+内锥体锚固，(a)全视图和(b)透明视图
这种锚固物由一个钢套筒和里面的砂浆(环氧树脂或膨胀水泥)组成。套筒的形状是经过特别设计的。前部为直筒，后部为锥形。本设计具有直管锚固和锥形锚固相结合的优点。与常规锥形锚具[31]相比，该锚具原理如图19所示。
图19 直筒和内锥体锚固原理:(a)正常的锥形锚固和(b)直管和内锥体锚固
常规锥形锚固能有效地约束蠕变，但在套筒一端会出现严重的CFRP杆的剪应力和径向应力集中(见图19a)。然而,在直管和内锥体锚固(见图19b)中，CFRP杆的剪切和径向应力峰值都将从直管和锥体的变化处附近开始，并不断延伸到一端。通过这种方式，应力峰值的大小大大降低。因此，既实现了蠕变约束，又提高了锚固效率[31]。
4.7 佩诺布斯科特斜拉桥
佩诺布斯科特斜拉桥是美国第一座CFRP斜拉桥，斜拉索采用CFRP钢索。这座桥属于缅因州交通部，位于佩诺布斯科特。这座桥的设计者是FIGG工程集团，它的建造者是Cianbro/Reed & Reed, LLC (Bucksport, ME, USA)。经过三年的建设，这座大桥于2006年12月30日竣工通车。半年后，不同斜拉索中的六股钢索被拆除，换成六股CFRP索。佩诺布斯科特斜拉桥的照片和图纸如下[32]所示。
佩诺布斯科特斜拉桥是一座双塔单索面斜拉桥（见图20）。跨度146米+ 354米+ 146米，塔高136米。它有40根斜拉索，均为平行的7股绞索。这些斜拉索并没有固定在塔上，而是经过桥塔上的支架锚固在梁上。在总共40根索中，选择西塔3根不同长度的索（分别约86 m、198 m和300 m）采用CFRP束。在每根选定的索中，两股钢绞线被卸载，两股新的CFRP索被安装在同一位置。这六根CFCC 1×7股CFRP绞线都是由东京制绳有限公司提供。Penobscot Narrows Bridge的设计团队在现有CFCC股树脂填充锚固的基础上，与劳伦斯理工大学合作，开发了一种新型的锚固。这种锚固物可称为“高膨胀材料填充锚固物”，如图21[32]所示。
图20 佩诺布斯科特斜拉桥，(a)照片(照片来源:MOT)和(b)图纸。
图21 高度膨胀材料填充锚固，(a)全视图和(b)透明视图。
这种锚固装置由一个长螺纹套筒、一根空心直管和里面的灰浆组成。在套筒的外面，有一个锚固螺母，用于将CFRP束固定到结构上。这个空心套筒的内径略大于CFRP绞线的直径。绞线和钢套筒内壁之间的空间由一种水泥砂浆填充，称为高膨胀材料（缩写为HEM）。固化过程中由于膨胀，使边缘处在硬化后产生足够的径向压力（此处约为75.8MPa），以保持CFRP绞线。图22显示了高膨胀材料（HEM）填充锚固与普通砂浆直管锚固相比的优势【32】。
图22 高膨胀材料填充锚固原理:(a)普通砂浆直管锚固;(b)高膨胀材料填充锚固。
高膨胀材料填充锚固件的钢套筒为直管。这样可以缓解锚固口附近的应力集中，但使用普通砂浆可能会导致严重的蠕变(见图22a)。与普通环氧砂浆相比，HEM砂浆的蠕变系数要小得多。可以帮助锚固处成功避免严重蠕变(见图22b)【32】。
4.8 EMPA弓弦拱桥行人桥
EMPA弓弦拱桥是位于瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)的一座小池塘上的人行桥。它位于瑞士苏黎世附近的杜本多夫。这座桥是由EMPA的研究人员设计的，并于2007年春天安装。EMPA弓弦拱桥行人天桥的照片和图纸见图23【33】。
图23 EMPA弓弦拱桥，(a)照片(照片来源:Urs Meier)和(b)图纸。
EMPA弓弦拱桥是一座跨距12米、宽度3米的弓弦拱桥(见图23)。桥面主要由瑞士种植的挪威云杉(Picea abies)制成，并通过CFRP条进行横向加固。纵向上，在桥面下方布置6根CFRP非叠层条环索，并在其宽度上均匀分布作为弓弦。每根索宽30mm，标称截面60mm2。图24【33】所示为CFRP索和销钉锚固。
图24 (a) CFRP非叠层带环索和(b)针加载锚固(照片来源:Urs Meier)。
所使用的CFRP索是一种无层压销钉锚固的条带环（见图23b）。这种索由瑞士carbon - link GmbH公司提供，其制造方法是将一根非常薄（约0.1毫米厚）的碳纤维条缠绕在两个圆销钉上（在这种情况下，圆销是由玻璃钢制成的）。缠绕后，只将最外层的端部通过熔融与下一外层结合，形成一个闭合回路（CFRP带采用热塑性基体制作）。与叠层带环相比，非叠层带环锚固区（特别是与销钉接触层）的剪切应力和径向应力分布更均匀，因为非叠层带环的不同层之间可以相互滑动，从而实现比叠层带环更均匀的应变分布。这将导致采用销钉锚固的CFRP非叠合条带环索的应力峰值相对较小，有利于提高其极限承载力[14，33]。
4.9 柏林工业大学CFRP应力带人行桥
柏林工业大学CFRP应力带人行桥是世界上第一座CFRP应力带人行桥。它位于德国柏林，由柏林工业大学(TU Berlin)施莱希教授的研究团队设计。这座桥于2007年5月完工。建成后，在该桥上安装了主动振动控制系统。这座桥的照片和图纸如图25[34]所示。
图25 柏林工业大学CFRP应力带人行桥(a)照片(照片来源:Achim Bleicher);(b)图纸。
柏林工业大学 CFRP应力带人行桥（见图25）是单跨应力带桥，垂跨比为1/60。6根50毫米宽、采用环销受载的CFRP无层压条环索是这座桥的承重部件，也是由瑞士carbolink GmbH提供的。每个索2×5层和总厚度约1.1毫米。单根索的承载能力为105KN。这些钢索与EMPA弓弦拱人行桥使用的CFRP带环钢索相似，不同之处在于本案例使用了钢销钉，带开始和带结束之间的部分通过熔合粘合在一起。锚固系统示意图如图26[34]所示。
图26 环销受载锚固系统，(a)组装图和(b)爆炸图。
上述锚固系统主要由两个圆销、一个三角钢箱和两个与地面连接的螺栓组成。其中，直径为80mm的销钉用于锚固；转向销钉直径为100mm，用于改变力的方向，以便于预张紧和固定[34]。
4.10 昆卡应力带人行桥
昆卡应力带人行桥横跨胡卡尔河，位于西班牙昆卡。这座桥为昆卡市所有，由ACCIONA, S.A.设计和建造。这座桥于2011年竣工并向公众开放。昆卡应力带行人天桥的照片和图纸如图27所示【35】。
图27 昆卡应力带人行桥，(a)照片(照片来源:胡安·罗多·洛佩兹)和(b)图纸。
昆卡应力带人行桥（见图27）是一座有三跨的应力带桥（72×3米）。桥宽3米，总长度216米，是西班牙最长、世界第八长的预应力带状桥。该桥有两个混凝土桥墩，高分别为21.6米和16.98米。桥面为3m* 3.5厚的钢筋混凝土板，16根CFRP索构成支撑应力带。这些CFRP索横向分为四组，固定在混凝土板下。纵向上将应力带分为5段，每段为长度43.7 m，直径41mm的CFRP锚索。这些CFRP索通过一个“8”形销钉连接彼此。这种分割措施是为了方便生产和运输。索外部是用于保护的芳纶编织套管【35】。
这些用于昆卡应力带人行桥的CFRP索是由Future Fibers公司生产。不同于EMPA弓弦拱人行桥和柏林工业大学 CFRP应力带人行桥使用的CFRP索，这些索是带不锈钢环端的CFRP叠层带环钢索。事实上，CFRP非叠层和叠层环销受载的条带环索既有优点也有缺点。一般来说，前者具有较高的极限承载力，而后者具有较大的刚度和较小的蠕变。因此，最好是说它们有不同的用途，而不是去判断哪个更好。
为了锚定和连接昆卡应力带人行桥的CFRP索，ACCIONA的工程师设计了环销受载锚股系统和连接系统，如图28所示【35】
图28 CFRP索的（a）锚固系统和（b）连接系统。
图28a为CFRP锚固结构，由钢叉、钢筋和锚固销组成。图28b为两根CFRP索的连接结构，由“8”形钢板和地脚螺栓组成。锚固杆钢筋预张，通过球形螺母和锚固板锚固在桥台后墙处【35】。
5. CFRP索结构的未来发展
从以上截面可以看出，现有的CFRP索结构均为索桥架。而且，它们大多是斜拉桥。到目前为止，世界上还没有CFRP索屋顶或索外墙。
然而，由于索屋顶或索外墙多为外部荷载正交荷载，因此是CFRP索的理想结构。垂直加载索结构,如许多索屋顶和索外墙,结构刚度主要由几何刚度控制，它是由索的预张力控制的，而不是由索的弹性模量控制的弹性刚度。这意味着, 对于此类索结构，如果保持结构刚度而增加索的弹性模量的措施相比，在保持索量不变的情况下，提高索的抗拉强度以增加预张力是提高结构刚度或减少索量的更有效方法。这种现象也表明,使用CFRP索的抗拉强度明显大于钢索(见表3) ，在正交荷载作用下的索结构将提高结构的经济效益，虽然CFRP索的弹性模量通常比钢索的弹性模量小(见表3)，其单价也高得多【36、37】。
因此，在索屋顶和索外墙中采用CFRP索是未来一个重要的发展方向。
5.1 CFRP轮辐式张拉屋盖的原型
为了研究将CFRP索应用于索屋顶或索外墙的可行性，一项小型CFRP轮辐式张拉屋盖于2013年在柏林工业大学【36】建成。
这个原型结构直径为4米，包含了一个真正轮毂顶的三个主要结构元素：压缩环、张紧环和径向索。所有受拉构件，如张拉环和8根径向索，均采用CFRP。压缩环、柱和节点材料为铝【36】。
径向索为环形CFRP受拉构件，受拉环为封闭八角形CFRP环。它们都是由嵌在聚合物基体中的平行碳纤维组成。SGL组的c30型纤维与环氧树脂基体一起使用。径向索和张拉环的截面为30 mm 1.2 mm，其中包含约2000万根碳纤维，可承受近80 kN的张力。这两种类型的碳纤维复合材料结构单元都是在柏林工业大学制造的，方法是将涂有环氧树脂的连续碳纤维束复合在一个旋转的形状上，并使用真空技术硬化【36】。
径向索和两个环之间的连接采用铝节点。因为所有的CFRP索都是环形的，所以铝节点也有圆柱形的表面(见图29c和30) 【36】。
为了预拉CFRP索，将拉环的每个节点分为两部分，两部分通过四个螺栓连接在一起。通过拧紧螺栓，从而缩短这两部分之间的距离，轮辐索屋顶的CFRP索系统被预张到足够的水平【36】。
这个原型证明了CFRP索屋顶在今天已经是可行的。在此基础上，根据CFRP锚索的特点，开发不同于钢索的新型锚索形状和锚固策略。
5.2 CFRP连续带缠绕系统
CFRP连续带缠绕系统是一种新颖的将CFRP应用于索屋顶和索外墙的设计。顾名思义，该系统中使用的钢索为CFRP连续带，缠绕在所有中间节点上，仅在两端节点上锚固，或形成闭合环，不需要任何锚固物。CFRP的最大优点是连续的带缠绕系统是最大限度地减少锚碇的数量，从而充分利用最有利的CFRP索·，避免不利的索【38】。
图29. (a) 柏林工业大学CFRP轮辐式张拉屋盖(照片来源:Till Beckmann); (b)计划视图;(c)压缩环和张力环节点。
图30 (a)外压缩环节点和(b)内拉力环节点。
CFRP连续带缠绕系统有几种形式。其中一个如图31所示，这是一个游泳池索膜屋顶的索系统。使用CFRP连续带的细节和节点如图32所示【38】。
图31 泳池索顶采用CFRP连续带缠绕系统
图32 (a)采用CFRP连续带;(b)中间节点;(c)结束节点
从上面的图中可以看出，结构中只使用了一根索，即CFRP连续带，使得索结构非常简洁，美观。CFRP连续带仅锚固在两端节点(如图32c所示)，缠绕在每个中间节点(如图32b所示)。
CFRP连续带缠绕系统的另一种形式如图33所示，这是一个CFRP轮辐式张拉屋盖。使用CFRP连续带的细节和节点如图34所示【38】。
从上图可以看出，结构中只有两根索，一根CFRP连续带作为辐条索，一根用作CFRP内环。CFRP连续带形成一个闭环，缠绕在所有节点上，不需要任何锚固物。
不可否认，CFRP连续带缠绕系统除了有优点外，也有一些缺点。例如，CFRP连续带的单段失效可能导致整个系统失效;因此，CFRP连续带的安全系数可以设置得高于普通索。总的来说，CFRP连续缠绕系统是一种很有前途的CFRP应用于索屋顶和索外墙的方法。实现这一目标还需要更多的研究。
图33 轮辐式索顶采用CFRP连续带式缠绕系统
图34 (a)采用CFRP连续带;(b)压缩环节点;(c)张力环上的节点。
6. CFRP索结构面临的挑战
尽管CFRP索结构的发展前景广阔，但仍存在一些挑战或问题，可能阻碍其广泛应用。虽然CFRP的锚固困难是一个挑战，这已经在前面的章节中介绍了可能的解决方案。
除了很难被锚固，CFRP耐火性能差是另一个挑战。大多数CFRP材料在暴露在中等高温条件下会降解【39】。通常，聚合物树脂是CFRP的有机基体，如果温度从65 C- 130 C
会变得有弹性和粘性【39】。在温度超过300℃时，聚合物树脂可以燃烧和蒸发，释放热量、烟雾、烟灰和有毒挥发物【40,41】。它进一步导致碳纤维的分解【39】。同时，CFRP会失去强度和刚度，导致CFRP索结构的破坏【42】。因此，在CFRP索结构设计中应考虑相应的防火措施。
目前，预防或减少CFRP索结构火灾危害的主要措施有两种。第一种方法是在CFRP索表面喷涂防火涂层【39】。这种膨胀涂层可以确保CFRP索的温度在火灾期间不达到其要求的临界温度。临界温度可以定义为，在温度下，索失去足够的强度或刚度，从而不能再支持施加的载荷【43】。现在市场上有几种合适的防火涂料，例如，Firefree涂料公司的FF 88。这是一种水性膨胀涂层，能够承受极端温度(最高为1093，持续一小时)【39,44】。另一种方法是增加CFRP本身的防火性，这是解决防火问题的根本方法。例如，CFRP的有机树脂基基体可以用耐火水泥基基体代替【45】。再如在CFRP的聚合物树脂中加入纳米粘土颗粒，可以显著提高阻燃【39】。
除了力学和物理方面的障碍外，高单价也是阻碍CFRP索在索结构中广泛应用的一个挑战。通常CFRP索的单价受到抗拉强度和弹性模量的影响。也通过个人调查的生产者和考虑从互联网上的信息,文献[38]估计单位价格(价格每单位重量)的CFRP索具有不同抗拉强度σu和不同弹性模E,图35所示,而自锁钢丝绳的单价大约是10/公斤。图中所示的百分比代表CFRP索单价与钢缆单价的比例，箭头方向代表σu和E的增加方向。
图35 CFRP索与钢索的单价估算。
从图35可以看出，CFRP的单价远远高于钢索的单价;同时，CFRP索的单价随着σu或E的增加而上升，而E的增加使得单价的上升速度略快于σu。
碳纤维索的单价过高，可能会影响CFRP索结构相对于钢索结构的经济效益。然而，文献[36-38]表明，在一些索结构(如索网立面)中使用CFRP索可以通过大幅减少索的使用量来实现经济效益。此外，如果考虑到生命周期成本，CFRP索结构在某些情况下具有经济竞争力[46,47]。
7 总结
建筑的历史就是建筑材料的历史。新材料的出现通常能促进结构的发展。碳纤维增强聚合物(CFRP)是一种新型高性能复合材料，具有断裂长度长、无腐蚀、抗疲劳性能优良等优点。早在20世纪80年代早期，就有人提出用CFRP索代替钢索。经过几十年的发展，CFRP索正在推动索结构的发展。
本文主要回顾了目前世界上已有的10种CFRP索结构桥梁。虽然这些CFRP索结构主要是为了测试目的而建造的，但它们的成功建造和良好的长期服务充分证明，在目前的技术条件下，在索结构中用CFRP索取代钢索是可行的。由于CFRP具有较强的各向异性，因此不能直接使用钢索锚固件来锚固CFRP索。在现有的CFRP索结构中，根据CFRP的特点，专门设计了相应的锚固系统。本文对CFRP索的应用前景进行了综述，指出了CFRP索的应用前景。介绍了一种新型的无锚固的CFRP轮辐索顶，即CFRP连续带缠绕系统。
不可否认，仍然有一些挑战和障碍阻碍了CFRP的推广应用，如锚固困难、消防安全问题及造价相对较高等。然而，这不应该阻止我们继续在CFRP索领域的发展。当今的结构工程界需要鼓励CFRP索结构的工程实践，从而促进索结构的进一步发展。
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