碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced polymer）簡(jiǎn)稱CFRP， 是以碳纖維或碳纖維織物為增強(qiáng)體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質(zhì)或橡膠等為基體所形成的復(fù)合材料。CFRP具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、可設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，起初主要應(yīng)用在航天航空、軍工產(chǎn)品、車輛工程等領(lǐng)域。近十幾年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)大型化、復(fù)雜化、高效能、智能化等多元化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)建筑材料也提出更高的要求，CFRP也因此逐步邁入土木工程師的視野。CFRP材料既適用于新建結(jié)構(gòu)，也適用于既有結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)，工程應(yīng)用前景十分廣闊。
碳纖維的抗拉強(qiáng)度是建筑鋼材的十幾倍，而彈性模量與鋼材相當(dāng)，某些高彈性碳纖維的彈性模量甚至達(dá)到鋼材的2倍以上。碳纖維材料承載能力最常見的運(yùn)用就是將CFRP片材用樹脂基粘貼在構(gòu)件表面進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，以混凝土梁為例，起初人們直接將未經(jīng)過任何張拉的CFRP片材用樹脂粘貼在梁底（圖1），但大量試驗(yàn)與工程應(yīng)用證明，這種方式下鋼筋混凝土構(gòu)件即使在加載至破壞時(shí)，F(xiàn)RP片材中的應(yīng)力仍然不到其極限強(qiáng)度的5%，即材料強(qiáng)度并沒有得到有效發(fā)揮。
為充分發(fā)揮CFRP片材高強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，學(xué)者們提出先對(duì)FRP片材施加預(yù)應(yīng)力再進(jìn)行粘貼的加固技術(shù)，該法依靠混凝土與碳纖維片材之間的粘結(jié)共同工作，由于片材上的拉應(yīng)力需要向混凝土傳遞，會(huì)在樹脂層中形成剪切應(yīng)力和垂直于片材板面的剝離應(yīng)力，這些應(yīng)力在FRP片材端部尤為突出，當(dāng)超過粘結(jié)層材料的強(qiáng)度極限時(shí)，加固梁可能會(huì)出現(xiàn)剝離破壞，為了延遲這種破壞，提高CFRP材料的利用率，工程師們先后提出了多種加強(qiáng)端部錨固的措施，如預(yù)應(yīng)力U型箍錨固（圖2）、預(yù)應(yīng)力鋼板—螺栓錨固（圖3）、預(yù)應(yīng)力波形齒多點(diǎn)錨固體系（圖4）等。（注：FRP是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的總稱，還包括玻璃纖維、芳綸纖維等）。
02CFRP索在大跨結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
CFRP片材用作既有結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)通常只能視為一種安全儲(chǔ)備，并不能在實(shí)際意義上提高構(gòu)件的承載力。而直接作為受力構(gòu)件的、可用于橋梁結(jié)構(gòu)的碳纖維拉索以及相應(yīng)的錨固技術(shù)近年來(lái)已經(jīng)被研究，并且在小型橋梁中得到了嘗試性應(yīng)用。2004年，由東南大學(xué)、江蘇大學(xué)和北京特希達(dá)科技有限公司共同研制的我國(guó)第一座 CFRP 索斜拉橋（總長(zhǎng) 55m）在江蘇大學(xué)校內(nèi)建成（圖5），該橋是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)唯一具備實(shí)際使用功能并可作長(zhǎng)期跟蹤監(jiān)測(cè)研究的試驗(yàn)橋。
弦支結(jié)構(gòu)是一種典型的剛?cè)峄旌项A(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，具有經(jīng)濟(jì)高效和造型輕盈等特點(diǎn)，目前已經(jīng)得到廣泛運(yùn)用，如廣州國(guó)際會(huì)展中心和國(guó)家體育館等。
索作為一種柔性構(gòu)件，在弦支結(jié)構(gòu)體系中起到關(guān)鍵作用，可通過張拉拉索在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力改善結(jié)構(gòu)的受力性能并減小結(jié)構(gòu)變形。但隨著鋼制索具的長(zhǎng)期使用，其弊端逐漸開始暴露，最突出問題就是耐腐蝕性差，鋼材腐蝕導(dǎo)致材料力學(xué)性能退化，會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)重大安全隱患，四川宜賓南門大橋就曾因拉索腐蝕斷裂而造成結(jié)構(gòu)破壞。
相對(duì)于鋼材，CFRP最突出的材料性能就是耐腐蝕性好，國(guó)內(nèi)外大量耐久性試驗(yàn)表明，CFRP在酸堿鹽腐蝕環(huán)境下的長(zhǎng)期力學(xué)性能十分穩(wěn)定，強(qiáng)度基本不變，彈性模量只降低15%左右，因此有學(xué)者提出用CFRP索來(lái)替換鋼索。
除耐腐蝕外，碳纖維還具有抗拉強(qiáng)度高、比強(qiáng)度大、耐疲勞、減震吸能和線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，從表1可以看出，CFRP的質(zhì)量?jī)H為鋼材的1/5，比強(qiáng)度為鋼材的5~20倍，高強(qiáng)輕質(zhì)性能十分突出，可減輕結(jié)構(gòu)自身重量，有利于弦支結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更大跨度。
索作為一種預(yù)應(yīng)力構(gòu)件需要預(yù)應(yīng)力保持自身剛度，因此要盡可能避免預(yù)應(yīng)力損失。實(shí)際工程中的拉索在自重作用下會(huì)產(chǎn)生一定垂度，而且垂度會(huì)隨時(shí)間推移而增大，過大的垂度不僅會(huì)影響拉索的線性狀態(tài)，還會(huì)導(dǎo)致索中的預(yù)應(yīng)力損失。在軸力、長(zhǎng)度和傾斜角度一致的情況下，拉索的垂度取決于材料密度，從這一角度看CFRP密度小的優(yōu)勢(shì)再次體現(xiàn)，但也有學(xué)者提出由于自重減輕，主纜的重力剛度減小引起的非線性動(dòng)力學(xué)行為（如風(fēng)雨激振、地震等作用）需要加以控制。
引起預(yù)應(yīng)力損失的另一要素是溫度作用，CFRP索及鋼索的線膨脹系數(shù)如下表所示，可以看出，CFRP索的縱向線膨脹系數(shù)僅為純鋼的1/12，即溫度變化引起的變形非常小，有研究報(bào)道稱200m跨度長(zhǎng)的CFRP索在升降溫30℃條件下的變形不超過10mm，預(yù)應(yīng)力損失比例不足1%，在工程中可以忽略不計(jì)。
03CFRP材料應(yīng)用展望
CFRP作為一種優(yōu)異的新型土木工程材料，雖然在加固領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，但作為拉索在大跨結(jié)構(gòu)中應(yīng)用目前還主要處于研究階段，正式投入實(shí)際工程還有幾方面問題亟需解決：
一方面雖然CFRP索軸向抗拉強(qiáng)度很高，但其橫向抗剪能力較弱，傳統(tǒng)夾片式錨具容易致其損壞，需要研發(fā)出工藝簡(jiǎn)單、錨固性能可靠的新型大噸位CFRP索錨具及錨固體系，目前較多學(xué)者認(rèn)為“粘結(jié)+夾片”的復(fù)合式錨具可能是有效途徑；
另一方面CFRP自身具有明顯的各向異性，在制造過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)纖維斷裂、界面剝離等初始缺陷。在服役過程中，長(zhǎng)期循環(huán)荷載或突發(fā)性瞬時(shí)沖擊荷載作用下，損傷進(jìn)一步累積，材料分層甚至斷裂，材料的承載性能、穩(wěn)定性能及可靠性都將遭遇挑戰(zhàn)，因此需要進(jìn)一步改善碳纖維材料的工業(yè)化制備工藝，并且提升結(jié)構(gòu)精確檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)。
結(jié)尾
碳纖維是一種神奇的工程材料，文中介紹的僅是其承載性能方面的應(yīng)用，事實(shí)上它還具有自感知特性（有學(xué)者稱之為智能材料），其電阻與應(yīng)變具有良好的線性關(guān)系（力阻效應(yīng)）、電阻率受溫度變化影響也存在一定規(guī)律（溫阻效應(yīng)），因此，在利用CFRP優(yōu)良承載特性的同時(shí)，還可將其作為一種智能傳感元件，通過對(duì)構(gòu)件中材料的電學(xué)信號(hào)響應(yīng)、反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、變形等的有效識(shí)別，對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷進(jìn)行判斷、定位和預(yù)警。利用承載構(gòu)件自身具備的自感知特性，實(shí)現(xiàn)可靠、高精度的無(wú)損檢測(cè)，也是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)，關(guān)于這一部分內(nèi)容，我們以后再做介紹。
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