一 橋的變遷

2020，我們攻堅克難，一起戰斗。2021，我們賦能未來，共迎希望

追溯到人類誕生時，橋梁與人類是共同發展的，橋梁的歷史就是人類的發展史。在遠古，原始人在追逐獵物時，經過小河流，原始人就會用樹干搭在兩岸來過河，這就是橋梁的由來；在古代，人們發明了人造建筑材料的磚，還創造了磚石構成的拱橋結構；在近代，第二次工業革命后，鋼桁架橋成為大跨度橋梁的主要結構形式；在現代，高強鋼絲受拉性能的充分利用，斜拉橋和懸索橋不斷刷新橋梁的記錄。

隨著人類社會經濟的不斷發展，橋梁的跨度越來越大。懸索橋和斜拉橋是目前國際上大跨徑橋梁采用的主要橋型，在目前世界上跨度前十的橋梁中，懸索橋占8座，斜拉橋2座。

目前世界跨度前十的橋梁

（數據來源：https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_longest_bridges）

橋索是懸索橋和斜拉橋的核心組成部分。橋索的性能已成為橋梁設計、施工、使用壽命和安全性能等方面決定性因素。

西堠門大橋（懸索橋）

蘇通長江大橋（斜拉橋）

二 碳纖維復材索的優勢

碳纖維增強復合材料（簡稱碳纖維復材）具有輕質高強、耐腐蝕、耐疲勞等優點，在最近十幾年中隨著研究和工程實踐的不斷發展已經越來越被了解和肯定。實際上早在1982年，Meier等就提出了以碳纖維復材索替代鋼索的想法。

鋼索與碳纖維索（來源于Urs Meier相關研究）

2005年，東南大學呂志濤院士等主持設計和修建了國內第一座碳纖維復材索斜拉橋，采用獨塔雙索面的布置，主梁和橋塔為鋼筋混凝土結構，拉索全部采用碳纖維復材索。

國內首座碳纖維復材索斜拉橋

更大跨度

重大工程結構中85%以上是自重，巨大重量意味著結構的高負荷、高地震響應和高成本。目前橋索都采用鋼絲制成，由于鋼的材料特性，鋼索比重大，這將限制鋼索體系橋梁的極限跨徑和承載效率。

日本明石海峽大橋

懸索橋的極限跨度、垂度與應力水平存在著一定的關系：在其自重作用下橋索的主索形成懸鏈線，當垂度一定時，隨著主纜跨度的增大，懸索的拉力增大，因此當懸索橋的主纜垂度因橋塔高度而受到限制時，存在一個極限跨度，此時懸索自重產生的張力恰好達到索的抗拉強度。碳纖維復材的容重僅為鋼材的1/5，與鋼索相比， 采用碳纖維復材索能夠提高懸索結構的極限跨度，研究表明，鋼索的極限跨度為7.7km，碳纖維復材索為 37. 5km。

鋼索與碳纖維復材索的極限跨度—垂度關系

更耐疲勞

由于鋼索的疲勞強度不足導致的索斷橋毀事故屢屢發生，造成了巨大的經濟損失和人員死亡事件。碳纖維復材索的抗拉強度可達高強鋼絲的2倍以上，同時碳纖維復材索的疲勞性能也遠優于鋼索，根據瑞士聯邦材料科學研究所對19 根單絲的碳纖維復材索進行的疲勞試驗表明：在200萬次循環荷載下碳纖維復材索未發生破壞, 其疲勞強度約為相同條件下鋼索的4倍。

（來源于相關新聞報導）

更長壽命

鋼索的一個致命弱點是耐腐蝕性差，在潮濕的大氣環境中，鋼索面臨著嚴重的腐蝕問題；如果要在海上修建橋梁，海洋大氣中含有大量的氯化物微粒，其中的氯離子有很強的腐蝕性，環境條件更為惡劣。因此在鋼索使用時需要經過繁瑣的防腐涂裝工序，同時在成橋營運后 ,還需要進行貫穿始終的日常維護和定期換索。作為懸索橋的“生命線”，鋼索因耐腐蝕性差而嚴重影響懸索橋的使用壽命。而碳纖維復材索的耐腐蝕性極強 ,可很好地適應高腐蝕性的海洋大氣環境，大大提高橋梁的使用壽命。

銹蝕的鋼索

（來源：http://www.cnbridge.cn/2010/0623/5235.html）

碳纖維復材雖然有許多優良的性能，但是作為橋索材料有一重大難題——錨。碳纖維復材索的有效錨固是將其應用為大拉力構件的前提，而碳纖維復材的橫向性能較弱，使得碳纖維復材索的錨固比較困難。根據拉索的結構形式可以將碳纖維復材索分為平行棒索、平行板索、絞線索和拉桿索。清華大學土木工程系馮鵬教授課題組對不同類型的錨固形式開展了大量的研究。

不同類型的碳纖維復材索

（來源：GB/T 35156-2017, 結構用纖維增強復合材料拉索[S].）

三 碳纖維平行棒索

與單根索的錨具不同，多根索的錨具應力狀態相對復雜，不同索之間的應力均勻程度較難控制，為了研究多根索錨具的受力性能，設計并加工了一種7根CFRP索的內錐粘結式錨具，并進行了拉伸性能試驗。

7根CFRP平行索的內錐粘結式錨具拉伸試驗得到錨固效率為42%，破壞模式為CFRP索在錨具外逐根斷裂。部分CFRP索在試驗中發生滑移，導致CFRP索之間的應力分布不均勻的現象，大大降低了群錨錨具的錨固效率。所以CFRP索與粘結材料表面間的粘結性能仍是粘結式錨具錨固效率的主要控制因素。

碳纖維平行棒索及試驗研究

四 碳纖維平行板索

相對于圓形截面復材索，方形截面的周長更大，單位長度錨固面積更大，更容易實現有效錨固。因此我們提出一種碳纖維復材平行板拉索以及曲面板錨具，并開發出單片與多片的平行板索試件。

碳纖維平行板索及試驗研究

研究表明，單片板試件的錨固效率可達到95%以上；與單片板試件相比，包含2至4片碳纖維復材板的平行板拉索在軸向拉伸試驗中測得的強度效率顯著降低，包含2至4片平行板的試件組平均值分別為62.96%，80.84%以及72.92%；破壞模式均為錨固失效；錨固滑移剛度差異不大，整體滑移剛度相對單片板試件有所改善。多片板試件相對單片板試件在對碳纖維復材板拉伸強度發揮以及性能穩定性方面有所下降，板件單元錨固承載力下降與不同板件失效過程差異是降低平行板拉索強度效率的主要因素。

五 索錨一體化碳纖維復材索

我們知道，想要拽住一根繩子最有效的辦法是將繩子繞在手上，而不是緊緊握住。對于碳纖維復材索，也是同樣的道理，碳纖維的橫向強度較弱，依靠拉索表面的摩擦力或粘結力往往不能充分發揮碳纖維的材料強度。

不同錨固形式及其受力特點

基于此原理，我們開發出一種新型索錨一體化碳纖維復材索，拉索和錨具一體化成型，構造簡單且結構輕盈。

索錨一體化碳纖維復材索

國外相關學者對此類型碳纖維復材索也做了大量研究。圖（a）為瑞士聯邦材料科學研究所（EMPA） A. Winist?rfer 等設計的碳纖維片材環狀索，每層片材的厚度為0.1mm，該拉索最大荷載為3000kN；圖（b）為柏林科技大學Mike Schlaich等設計的柔性碳纖維環狀索，該拉索最大荷載為2000kN；圖（c）為清華大學馮鵬教授課題組設計的索錨一體化碳纖維復材索。

(a) A. Winist rfer   (b) Mike Schlaich                   (c)Ai Pengcheng         

國內外此類型碳纖維復材索 （來源于相關作者的研究）

試驗研究表明，索錨一體化碳纖維復材索極限荷載達到1220kN，索體名義應力達到2000MPa，索體呈爆炸式破壞，錨固效率可達到100%。

索錨一體化碳纖維復材索試驗研究

六 萬米大橋成為可能

直布羅陀海峽是地中海通向大西洋的唯一出口，最窄處13公里，平均深達310米；北為西班牙，南為摩洛哥，將歐、非兩洲隔開。目前海峽兩岸每年過往旅客400萬人，貨物1億多噸。人們長期夢想架一座橋梁，將兩個大陸聯結起來。國際著名橋梁專家美籍華裔林同炎教授在1991年提出，在歐非大陸之間14公里的直布羅陀海峽上建造跨度達5公里的懸索橋，他大膽而科學的方案得到普遍贊賞，以此內容撰寫的論文獲得1993年國際橋梁和結構工程協會(IABSE)的最高獎。

直布羅陀海峽大橋方案

（來源：Lin T Y, Chow P. Gibraltar Strait Crossing–A Challenge to Bridge and Structural Engineers[J]. Structural Engineering International, 1991, 1(2): 53-58.）

“鄉愁是一灣淺淺的海峽，我在這頭，大陸在那頭。”余光中這首名詩，曾經讓兩岸同胞因道路阻隔而生發無限感傷。但是，未來的一天我們也許會駕私家車輕易越過臺灣海峽。中國工程院院士林元培2007年便提出“臺灣海峽大橋全天候通道方案”，并表示“臺灣海峽大橋海上跨徑要盡可能大，上部結構選3500米懸索橋”。

臺灣海峽大橋方案

（來源：林元培,竇文俊. 臺灣海峽大橋-全天候通道方案[A]. 中國科學技術協會學會、福建省人民政府.經濟發展方式轉變與自主創新——第十二屆中國科學技術協會年會（第三卷）[C].中國科學技術協會學會、福建省人民政府:中國科學技術協會學會學術部,2010:4.）

隨著碳纖維復材索的技術不斷成熟，應用前景也越來越廣闊，相關國家標準GB/T 35156-2017《結構用纖維增強復合材料拉索》已發布并開始實施，有了碳纖維復材索，萬米級跨海大橋離我們越來越近。

想要了解更多

相關論文

[1] 齊玉軍,馮鵬,葉列平.FRP索與鋼索的求解計算和極限跨度[J].土木建筑與環境工程,2011,33(04):52-59.

[2] 烏爾斯·梅耶爾, 張攀, 馮鵬. 碳纖維復合材料拉索:為什么?為什么不?會怎么樣?[J]. 玻璃鋼/復合材料, 2011(5):3-11.

[3] 張攀. 碳纖維復合材料平行束索及錨具受力性能與設計方法研究[D].清華大學,2014.

[4] 黎偉捷. 碳纖維復材平行板拉索及曲面板錨具性能研究[D].清華大學,2016.

[5] Feng Peng, Zhang Pan, Meng Xinmiao, et al. Mechanical analysis of stress distribution in a carbon fiber-reinforced polymer rod bonding anchor. Polymers, 2014, 6(4):1129-1143.

[6] Feng Peng, Zhang Pan. Theoretical and numerical analysis of stress distribution in CFRP rod bond anchor. The 19th international conference on composite materials. 7976-7983

[7] Ai Pengcheng, Feng Peng. Mechanical behavior of CFRP laminated strip-loop cables. Proceedings of the 6th Asia-Pacific Conference on FRP in Structures (APFIS 2017) Singapore, 19-21st July 2017, p.175–179.

相關專利

[1] 馮鵬,艾鵬程. 用于橋梁的拉索[P]. 北京：CN106284076A,2017-01-04.