劉禮華， 朱元林， 黃盛彬， 陳啟權(quán)， 曹偉星， 尹發(fā)聰

(1.法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司, 江蘇 江陰 214434； 2.高郵市交通運輸局, 江蘇 高郵 225600； 3.華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 210014； 4.中鐵十局集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250001)

1 概 述

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點[1-4]。將CFRP筋用于橋梁纜索，已成為提高橋梁跨徑與耐久性的一個發(fā)展方向。

吊桿索是組成系桿拱橋、懸索橋以及大型空間結(jié)構(gòu)等索承結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵傳力構(gòu)件。傳統(tǒng)的吊桿索主要由高強度鍍鋅鋼絲和錨具組成(簡稱鋼吊桿)，在運營過程中，吊桿內(nèi)鋼絲在侵蝕性環(huán)境及軸向拉力的雙重影響下極易發(fā)生腐蝕，特別是在錨具等容易積水的部位，相應(yīng)，吊桿的斷裂韌性和疲勞抗力也將顯著降低，嚴(yán)重影響橋梁的安全和壽命。據(jù)報道[5]，國內(nèi)已有多起橋梁吊桿服役期間發(fā)生嚴(yán)重腐蝕問題而進(jìn)行更換的工程案例(桂平黔江大橋、珠海淇澳大橋、汕頭海灣大橋、張家港南橋等)，而時間多發(fā)生在通車后8-20年間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命。此外，一些系桿拱橋由于沒有及時發(fā)現(xiàn)和更換吊桿而發(fā)生了橋梁坍塌，2001年宜賓南門大橋(1990年通車)、2011年新疆孔雀河大橋(1998年通車)、2011年武夷山公館大橋(1999年通車)、2019年臺灣南方澳跨海大橋(1999年通車)的坍塌，就是典型的吊桿腐蝕疲勞引起結(jié)構(gòu)破壞的案例。目前，我國在役的大部分橋梁已經(jīng)入維修養(yǎng)護(hù)周期，這些橋梁大多面臨換索工程，若仍采用鋼吊桿，其二次維護(hù)周期依然很短，橋梁就會陷入短周期換索的循環(huán)中。為提高吊桿的耐久性，除了進(jìn)一步研究防護(hù)措施外，采用耐蝕性和疲勞性都優(yōu)良的CFRP 吊桿索替換鋼吊桿，可從根本上解決鋼吊桿的腐蝕和疲勞問題，不僅可降低橋梁整個使用壽命期的維修成本，提高橋梁的安全性，而且也會大大降低因換索而需封橋帶來的交通等一系列社會問題。

國內(nèi)外對CFRP索的研究始于20世紀(jì)80年代，已經(jīng)建有一些應(yīng)用CFRP索的橋梁，如表1所示。1996年瑞士材料測試與研究聯(lián)邦實驗室[6](EMPA)開發(fā)出了帶有錐形樹脂澆鑄端頭的CFRP索，在蘇黎世Stork橋上應(yīng)用了2根CFRP索，這是世界上第一座采用CFRP索的公路橋。2006年美國Penobscot Narrows橋所用CFRP索是由多根1×7規(guī)格CFRP絞線制成，其強度為2200 MPa[7]。2020年德國Stadtbahn橋應(yīng)用了72根CFRP吊桿，這是世界上第一座全橋采用CFRP吊桿索的網(wǎng)式斜吊桿拱橋。國內(nèi)梅葵花等[8]針對CFRP索進(jìn)行了大量的試驗，探索了CFRP索的制索工藝，于2005年在鎮(zhèn)江設(shè)計并建造了國內(nèi)首座CFRP索獨塔斜拉人行橋，其CFRP索強度為2300 MPa，錨固效率為93%；朱元林等[9]設(shè)計并初步研制了19絲規(guī)格的CFRP索，在國內(nèi)首次進(jìn)行了疲勞應(yīng)力上限為45%標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度、應(yīng)力幅為250 MPa的250萬次疲勞試驗。

表1 國內(nèi)外CFRP索的應(yīng)用情況

目前，國外有以瑞士Carbo-Link和日本東京制綱為代表的企業(yè)進(jìn)行CFRP索的小批量生產(chǎn)及公路橋應(yīng)用，但國內(nèi)對CFRP索及應(yīng)用技術(shù)還缺乏系統(tǒng)研究，公路橋應(yīng)用案例鮮有報道。本文將結(jié)合國內(nèi)首座應(yīng)用CFRP吊桿索公路橋的建造，研究CFRP索的設(shè)計及應(yīng)用。

2 國內(nèi)首座應(yīng)用CFRP吊桿索系桿拱橋概況

三垛西橋位于高郵三垛鎮(zhèn)，橋跨組成為：9×20 m+92.64 m+10×20 m，全橋長479.12 m，橋面寬度12.8 m。主橋上部結(jié)構(gòu)為下承式鋼管混凝土系桿拱橋；下部結(jié)構(gòu)為柱試墩，引橋上部結(jié)構(gòu)為20 m先張法預(yù)應(yīng)力砼空心板，下部結(jié)構(gòu)為柱試墩，薄壁式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

橋型半立面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，全橋效果圖如圖2所示。全橋共采用32根吊桿，其中2#索及對稱位置采用CFRP吊桿索，共應(yīng)用4根，其余28根采用規(guī)格為15-9環(huán)氧涂層鋼絞線吊桿索，設(shè)計索力為800 kN。目前三垛西橋的CFRP吊桿索已完成掛索安裝施工，計劃2021年9月通車驗收。

圖1 半立面橋型圖(單位:cm)

圖2 三垛西橋效果圖

3 CFRP吊桿索設(shè)計及制造

3.1 CFRP吊桿索設(shè)計

用于該橋的CFRP吊桿索由法爾勝泓昇集團(tuán)制作提供，CFRP吊桿索規(guī)格采用Φ7-31 mm，長度10.56 m，公稱破斷索力為3100.2 kN。CFRP吊桿索與原方案采用環(huán)氧鋼絞線吊桿索的性能對比如表2所示。

表2 CFRP吊桿索與鋼絞線索性能對比

CFRP筋是由T700級碳纖維和環(huán)氧樹脂基體復(fù)合而成，纖維體積含量為72%。

CFRP索的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，索體剖面圖如圖4所示。將索體中筋材進(jìn)行扭絞，錨固端筋材發(fā)散開來進(jìn)行錨固。提高了CFRP索中筋材的受力均勻性及錨固性能，同時便于CFRP索的盤卷與運輸。

圖3 CFRP索結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 Φ7-31 mm規(guī)格CFRP索剖面圖

3.2 CFRP吊桿索制造

CFRP吊桿索的制索工藝如下：筋材放絲切割→扭絞編索→纏繞聚酯纖維帶→熱擠PE護(hù)套→精下料→錨固部位剝套→分絲板穿絲→灌錨→力學(xué)性能檢驗。針對CFRP筋的特點，重點研究了CFRP筋扭絞編索工藝、錨固端發(fā)散工藝及錨固工藝，保證整個制索過程中CFRP筋不受到損傷。制作完成的CFRP吊桿索如圖5所示。

圖5 CFRP吊桿索

4 CFRP吊桿索力學(xué)性能研究

4.1 CFRP吊桿索疲勞性能研究

疲勞試驗索采用Φ6.7-37 mm規(guī)格，制作工藝同3.2節(jié)。索體中間自由段長度為3.5 m，有效承載面積為1303.83 mm2。疲勞試驗采用INSTRON疲勞試驗機(jī)，如圖6所示，設(shè)備噸位為250 t，拉伸試驗通過錨杯端面承壓方式加載。試驗索中間部位加持標(biāo)距為2 m的引伸計，測量拉索的彈性模量。

圖6 CFRP吊桿索拉伸疲勞試驗

疲勞試驗的應(yīng)力水平上限取1170 MPa，應(yīng)力幅值取375 MPa。疲勞上限載荷為1526.3 kN，幅值載荷為489.2 kN，疲勞下限載荷為1037.1 kN，加載頻率為0.7 Hz ，經(jīng)過250萬次循環(huán)疲勞試驗后，CFRP吊桿索無斷絲，錨固系統(tǒng)無異常，不同循環(huán)加載次數(shù)下載荷-位移曲線如圖7所示。疲勞試驗后進(jìn)行靜載拉伸試驗，載荷-位移曲線如圖8所示，呈線性關(guān)系，試驗最大載荷為3394 kN，拉伸強度大于2603 MPa，彈性模量為179 GPa，拉索無斷絲，鑄體及錨具無異常。在疲勞試驗不同循環(huán)次數(shù)及疲勞后靜載拉伸試驗中，分別進(jìn)行了索體彈性模量及筋材回縮量測量，如表3所示。從圖7及表3中可以看出，不同循環(huán)次數(shù)下的載荷-位移曲線基本重合，拉索彈性模量基本不受疲勞載荷的影響，隨著疲勞加載循環(huán)次數(shù)的增加，錨杯后端筋材的回縮量不超過0.5 mm，表明錨固系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

圖7 不同循環(huán)次數(shù)下載荷-位移曲線

圖8 疲勞后靜載拉伸載荷-位移曲線

表3 不同循環(huán)次數(shù)下彈性模量與筋材回縮量

4.2 CFRP吊桿索靜載及超張拉檢驗

對Φ7-31 mm規(guī)格CFRP吊桿索進(jìn)行靜載拉伸試驗，索長5.1 m。靜載試驗張拉設(shè)備如圖9所示，拉伸試驗通過錨杯端面承壓方式加載，加載速度不大于100 MPa/min。試驗索中間部位加持標(biāo)距為2.003 m的引伸計，測量彈性模量。靜載試驗先進(jìn)行預(yù)張拉，張拉至1429 kN，持荷10 min，卸載后再進(jìn)行正式加載，最終試驗結(jié)果如表4所示。

圖9 CFRP吊桿索超張拉檢驗

從表4可以看出，Φ7-31規(guī)格吊桿索的實測破斷拉力為3150.0 kN，高于表2中的公稱破斷索力3100.2 kN，按該批次筋材拉伸試驗測出有效強度最低值2780 MPa計算，靜載效率系數(shù)為95.0%。

表4 Φ7-31規(guī)格CFRP吊桿索靜載拉伸試驗結(jié)果

Φ7-31規(guī)格CFRP吊桿索靜載拉伸破壞如圖10所示，最終破壞形式為中間索體自由段筋材發(fā)生斷裂破壞，錨固系統(tǒng)無異常，充分發(fā)揮了CFRP筋的拉伸強度。

圖10 Φ7-31規(guī)格CFRP吊桿索靜載拉伸破壞圖片

圖11為Φ7-31規(guī)格CFRP吊桿索正式加載的載荷-位移曲線，從圖中可以看出載荷與位移基本上呈線性增長關(guān)系。

圖11 Φ7-31規(guī)格CFRP拉索載荷-位移曲線

靜載前后對CFRP吊桿索錨固后端外露筋材的回縮量進(jìn)行了測量，測試結(jié)果如表5所示，整體回縮量小于5.1 mm，表中數(shù)據(jù)表明回縮量主要集中在預(yù)張拉過程中，正式加載產(chǎn)生的回縮量相對較小。

表5 Φ7-31規(guī)格CFRP吊桿索筋材回縮量

對實橋應(yīng)用的4根Φ7-31規(guī)格CFRP吊桿索進(jìn)行超張拉檢驗。超張拉載荷取1000 kN，并分為5級加載，加載速度不大于100 MPa/min，每級加載持荷5 min。超張拉過程中，檢測CFRP吊桿索的彈性模量及錨杯后端筋材回縮量，如表6所示，其中彈性模量≥166 GPa，筋材回縮量≤1.07 mm，參考GB/T 18365《斜拉橋用熱擠聚乙烯高強鋼絲拉索》中規(guī)定的超張拉后內(nèi)縮值≤6 mm，檢驗結(jié)果符合技術(shù)指標(biāo)。

表6 Φ7-31規(guī)格CFRP吊桿索超張拉檢驗

5 結(jié) 論

本文以國內(nèi)首座應(yīng)用CFRP吊桿索的公路橋為背景，介紹了CFRP吊桿索的設(shè)計及應(yīng)用要點，主要結(jié)論如下：

(1)開發(fā)了新型CFRP索結(jié)構(gòu)形式，提高CFRP索中筋材的受力均勻性及錨固性能，同時便于CFRP索的盤卷與運輸；

(2)成功研制出了具有優(yōu)異疲勞及耐久性能的CFRP吊桿索體系，37絲規(guī)格CFRP索通過應(yīng)力上限為45%標(biāo)準(zhǔn)強度、應(yīng)力幅值為375 MPa的250萬次疲勞試驗，索體及錨固部位沒有損傷。

(3)針對高郵三垛西橋， 研制的CFRP吊桿索靜載效率系數(shù)為95%，經(jīng)超張拉檢測，筋材回縮量≤1.07 mm，彈性模量≥166 GPa，回縮量符合技術(shù)指標(biāo)，完成CFRP吊桿索的掛索安裝施工，實現(xiàn)了國內(nèi)CFRP吊桿索應(yīng)用于系桿拱橋零的突破，為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。