国产碳纤维索土木工程应用技术新进展

01 碳纤维材料简介 碳纤维是以腈纶或粘胶纤维为原料，经高温氧化、碳化而成的一种含碳量高于90%的高性能特种纤维，具有耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、耐摩擦、导电、导热等特性。碳纤维外形呈丝状，沿轴向具有很高的强度和弹性模量。一般而言，碳纤维抗拉强度在3500MPa以上，拉伸弹性模量可达220GPa~680GPa。同时，碳纤维密度很小，仅为钢材的1/5，因此具有超高比强度和比模量，轻质高强特点突出。现阶段土木工程领域主要使用T700级碳纤维，其强度高达4900MPa，是普通钢材的8~15倍。 碳纤维与钢性能对比 碳纤维材料具有很强的可设计性，可满足超高强、高强高模、高强中模等不同需求。将碳纤维与树脂基体进行复合，可形成不同形式的碳纤维复材，如碳纤维片材、板材、筋材、型材、网格以及拉索等。 碳纤维复材及形式 02 碳纤维材料国内外应用简介 碳纤维材料发展之初主要用于航空航天领域，具有极高的国家战略地位，近年来在土木工程领域的应用水平也不断提升。碳纤维作为一种轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳的高性能结构材料，在既有结构加固修复、超大跨度桥梁工程、海洋工程、地下结构、异性结构等土木工程领域具有广阔的应用前景，是未来重大土木工程项目建设的关键材料。 在众多碳纤维复材形式中，碳纤维拉索能充分发挥碳纤维的超高抗拉强度，因此大吨位碳纤维拉索及其锚固技术是碳纤维在土木工程领域的重要发展方向。欧美日等发达国家碳纤维产业起步早，自上个世纪五、六十年代就开始在土木工程领域使用碳纤维复材，对桥梁用碳纤维拉索的研究和应用也处于领先地位。1996年，日本建造了世界首座碳纤维斜拉索人行桥——Tsukuba Bridge，主跨11m。同年，瑞士建造了世界首座使用碳纤维斜拉索的公路桥——Storck Bridge，主跨61m。2020年，德国建成了世界首座采用全碳纤维吊杆的铁路拱桥——德国斯图加特铁路桥。 我国对碳纤维索在桥梁工程中的应用研究起步较晚，最早是在2005年建成的江苏大学西山人行桥中应用了碳纤维斜拉索，但当时采用的是日本进口碳纤维。近年来，随着我国碳纤维生产工艺的进步，以及应用技术研究的深入，我国碳纤维拉索在桥梁工程中的应用不断取得新突破。2020年，高邮市三垛西桥应用了4根碳纤维吊杆，是我国首座采用碳纤维复材吊杆的拱桥。目前正在建设中的世界最大跨斜拉桥常泰大桥，计划采用碳纤维拉索作为主桥温度平衡索，充分利用碳纤维热膨胀系数小的特点。 03 大吨位碳纤维锚索体系技术攻关 为了拓展国产碳纤维的应用形式，助力国产碳纤维产业的健康发展。中建八局自2014年起与上海石化持续合作，研究国产碳纤维在土木工程领域的应用技术。2020年联合上海石化和上海大学组建了省部级科技创新平台“上海碳纤维复合材料土木工程应用工程技术研究中心”，同时作为牵头单位承担了2020年中建股份一号课题“碳纤维复合材料在土木工程领域的应用研究”，2021年中建股份课题“碳纤维索结构及大丝束碳纤维土木工程应用技术研究”，以及上海市交通委课题“桥梁用大吨位碳纤维索锚体系应用技术研究”。 为了攻克大吨位碳纤维索锚体系的加工、锚固以及工程应用难题，中建八局以聊城市兴华路跨徒骇河大桥项目为依托，与中冶建研院、柳州欧维姆机械股份有限公司、哈尔滨工业大学、东南大学等知名企业和高校合作，开展了一系列理论和试验研究。 首先在材料层面，针对国产碳纤维筋进行了静力拉伸试验、剪切强度试验、拉伸疲劳试验、耐高温试验和蠕变试验，确保材料性能稳定可靠，满足现阶段我国标准体系对碳纤维筋的最严要求。自主研发了大吨位碳纤维拉索锚固系统，并先后试制了φ7-37规格和φ7-121规格的碳纤维索锚体系，并分别进行了静载试验和疲劳试验。试验结果表明，φ7-121规格的碳纤维索锚体系最大静载承载能力超过1000吨，达到千吨级。经第三方机构鉴定，自主研发的索锚体系符合相关规范对斜拉桥拉索的规定，满足工程使用要求。 为了满足现阶段标准对斜拉桥拉索的规定，对自主研发的碳纤维索锚体系进行了水密性试验验证。此外，依据美国标准PTI DC45.1-18《Recommendations for Stay Cable Design ，Testing，and Installation》的规定，制定了特殊防火构造方案，并开展抗火试验研究，以保证桥梁拉索在火灾环境下的安全。 φ7-121规格碳纤维拉索极限承载力试验 由于碳纤维拉索抗弯折能力相对较弱，为了确保斜拉索顺利安装，对碳纤维拉索的吊装进行了专门研究，制定了切实可行的吊装方案，经实践验证取得了良好的效果。 04 国产碳纤维索锚体系工程应用 山东聊城市兴华路跨徒骇河大桥跨越莲湖水利风景区，连通兴华路和滦河路，建成后将成为一条重要的城市次干路。跨徒骇河大桥全长388 m，双向6车道设计，主桥采用莲花造型独塔双索面斜拉桥，全长200m，单跨100m。 12月10日，φ7-121规格国产碳纤维索在兴华路跨徒骇河大桥完成挂索，挂索仪式在项目现场成功举办，标志着国产千吨级碳纤维索首次成功应用于桥梁主索，实现了国产碳纤维首次应用于桥梁斜拉索零的突破，具有里程碑式的重大意义。