鋼筋混凝土結構在實際服役環境下，由於構件老化、鋼筋鏽蝕，結構的使用壽命受到影響。因此，通過開發新型材料來提高結構性能已經成為土木工程領域的一個趨勢。其中，碳纖維增強複合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)憑藉其比強度高、抗疲勞、耐腐蝕等優良性能脫穎而出，成為土木工程的研究熱點。CFRP 材料問世於20 世紀40 年代，其最初應用局限於航天、軍事和船舶工程領域，後來範圍逐步擴大到土木工程領域。我國於1975 年召開了全國第一次碳纖維複合材料會議，將CFRP 材料納入國家科技攻關項目。經過近40 年的發展，我國CFRP 材料在土木工程中的應用基礎研究取得了一定成果，但距大規模工程應用還存在一定差距。
碳纖維增強樹脂基複合材料(CFRP) 的物理特性和碳纖維基體及與其複合的樹脂、塑料、橡膠等基體材料的性能有關，對其後期使用性能有重要影響。
碳纖維增強樹脂基複合材料主要由兩大部分組成：碳纖維和樹脂基體。碳纖維主要由高分子材料如黏膠纖維、聚丙烯腈纖維、瀝青纖維等經高溫燒制而成。樹脂基體主要採用環氧樹脂和聚醯亞胺樹脂。碳纖維複合材料的製作過程一般如下：先將碳纖維在樹脂中預浸後，按一定方式鋪層，再經過加溫加壓、固化等工序成型，形成的複合材料具有優異的性能，如環氧樹脂基碳纖維(EP/CF) 複合材料的比強度為鋼的4.8~7.2 倍，比模量為鋼的3.1~4.2 倍，疲勞強度約為鋼的2.5 倍、鋁的3.3 倍，而且高溫性能好，工作溫度達400℃時，其強度與模量基本保持不變。此外，還具有密度和線膨脹係數小、耐腐蝕、抗蠕變、整體性好、抗分層、抗衝擊等。在現有結構材料中，其比強度、比模量綜合指標最高。在加工成型過程中，EP/CF 複合材料具有易大面積整體成型、成型穩定等獨特的優點。不同纖維種類的CFRP 的基本力學性能如下表所示。
常用CFRP的基本力學性能
碳纖維增強樹脂基複合材料其他方面的物理特性如下。
熱導率
樹脂基碳纖維複合材料的熱導率在中溫區100~400K，隨著碳纖維體積含量的增加而增大；在100K 以下，變化較小，在極低溫區變化消失。強度不同的碳纖維複合材料，只要碳纖維是同類型、同排布、同體積含量，則熱導率相差不大。平行於纖維排布方向的熱導率一般要大於垂直於纖維排布方向的熱導率。
熱膨脹性能
樹脂基碳纖維複合材料的熱膨脹性一般較小，平行於纖維方向的係數比垂直於纖維方向的係數約小一個數量級，且熱膨脹係數與溫度有關，當溫度下降時，平行於纖維方向的係數略有上升或基本不變，垂直於纖維方向的係數下降。影響樹脂基碳纖維複合材料熱膨脹的因素主要是排布方式、比例、溫度和溼度。其中影響較大的是排布方式和比例。對於同樣材料比例的樹脂基碳纖維複合材料，單層、有規律排布的熱膨脹係數可由理論推導的公式計算。對於多層複雜排布的熱膨脹係數，可從單層估計其變化趨勢。
硬度
樹脂基碳纖維複合材料具有一定的硬度。但此硬度會隨碳纖維含量的變化而發生相應變化。研究表明，當碳纖維含量從5％提高到30％時，複合材料的平均硬度從77HV 提高到367HV，可以看出複合材料的硬度提高幅度很大，但並非線性增加。開始增加較小，當碳纖維含量大於10％以後，硬度增加非常快；當碳纖維含量大於25％以後，硬度值變化趨於平緩。
電阻率
碳纖維複合材料具有一定的導電性。研究表明，在碳纖維/酚醛樹脂複合體系中，隨著碳纖維含量的增加，複合材料的電阻值下降，導電性能提高。電阻值的下降與纖維含量的增加並不成正比，而是有一個滲濾閾值，這個滲濾閾值約為15％。當碳纖維含量高於15％時，複合材料具有一定的導電能力。
耐磨性
研究表明，隨著碳纖維含量的增加，複合材料的耐磨性提高，但其提高程度隨著碳纖維含量的增加而減小，碳纖維含量大於20％後趨於不變。
大跨系杆拱橋
現代大跨系杆拱橋造型優美、跨越能力良好，是現代大跨橋梁結構中一種極具競爭力的橋型。目前關於CFRP 在系杆拱橋中的應用的研究相對較少。
斜拉橋
斜拉橋具有外形美觀、結構剛度大、跨越能力較強、相比於自錨式懸索橋和拱橋施工簡單等優點。CFRP材料用於大跨徑斜拉橋的拉索，不僅可以充分利用其高強性能，還可減輕斜拉橋上部結構自重，提高斜拉橋跨越能力和承載效率。瑞士於1996 年在Stork 斜拉橋上成功應用了CFRP斜拉索，其拉索匯集於塔頂，在A形塔頂部的箱錨室內錨固。丹麥於1999 年建成總長80m 的Herning 人行斜拉橋，使用了16 根CFRP 斜拉索。2005 年，中國首座CFRP 索人行斜拉橋在江蘇大學建成。該橋總長度51.5m，最大跨徑30m，為獨塔雙索麵鋼筋混凝土斜拉橋。索塔兩側各布置4 對拉索，斜拉索全部採用Leadline 型CFRP 筋材，有6-D8、11-D8、16-D8 三種索型，拉索錨固系統採用了套筒黏結型錨具，並在固定端錨下設置了永久性應力傳感器，用於長期監控。
江蘇大學CFRP試驗橋
由於索自重垂度的影響，呈現出較強的非線性，索在不同構形和荷載條件下的靜動力特性和地震響應分析較為複雜，並且結構對風的敏感程度很高，極易在風和雨的激勵下發生大幅度風雨激振。
懸索橋
懸索橋具有受力性能好、抗震性能好、橋型美觀、跨越能力強等優點，是特大跨度橋梁的首選橋型。隨著跨徑的增大，高強鋼絲主纜中的恆載應力比例增加，選用CFRP 材料可以在一定程度上緩解超大跨徑懸索橋主纜自重問題。1999 年日本在跨徑為1030m 的Kurushima 懸索橋中，首次採用CFRP 束作為貓道的主要纜索。在尚未完全了解CFRP 在實際環境中的長期性能的情況下，還無法將CFRP用於懸索橋的主纜，因而目前CFRP 在懸索橋建設中的應用十分有限。
懸索橋由於主纜靠自身變位來平衡外荷載，使其具有明顯的幾何非線性特徵，在跨度增大後，結構趨於輕柔，對風的作用更加敏感，抗風穩定性往往成為控制設計的最關鍵的問題。
本文摘編自陸春華、蔡東升、陳蓓、劉榮桂著《高性能CFRP材料及其在預應力結構中的應用》（北京：科學出版社，責任編輯惠雪、孫靜，2016.11）第1、2章部分，內容略有刪節改動。
ISBN：978-7-03-049183-1
《高性能CFRP材料及其在預應力結構中的應用》以我國首座CFRP 索斜拉橋為工程背景，論述了碳纖維增強複合材料的主要性質及其在工程結構中的應用。全書主要內容如下：碳纖維增強複合材料的發展及應用現狀、碳纖維增強複合材料的基本物理力學特性；CFRP 筋用黏結式、夾持式及複合式錨具的研製及性能分析；碳纖維複合材料的熱性能、電性能及磁性能等主要功能特性；CFRP 斜拉索非線性靜動力特性分析、CFRP 索斜拉試驗橋靜力學試驗研究與分析、CFRP 索長大跨斜拉橋靜動力學分析；碳纖維混凝土材料及其結構的智能特性等。這些研究成果為進一步拓展CFRP 材料在土木工程中的應用提供了很好的技術支持，也為相關規範與規程的修訂與完善作出了寶貴貢獻。
本書可供從事碳纖維複合材料研究、開發與應用的科研人員、工程設計人員和管理人員參考，也可供高校結構工程、橋梁工程和交通工程等學科的本科生、研究生學習。
（本文責編：李文超）
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