钟志权
（重庆交通大学 重庆市 400074）
摘要：CFRP材料在工程上的应用已经十分常见，桥梁结构现已广泛使用碳纤维复合材料（CFRP）对结构进行加固的。通过对现有学术成果的阅读和总结，对碳纤维复合材料在桥梁结构上的应用进行梳理，对碳纤维复合材料的优缺点、适用性进行讨论。
关键词：CFRP、桥梁加固、桥梁工程
1.碳纤维材料的介绍
碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，简称CFRP）是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料。
这种复合材料在高温下的强度大，高温状态稳定，升华温度比较高，烧蚀凹陷性，具有高强度和高刚性，能有效抵抗裂缝传播，可减小震动，降低辐射。具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分突出，在大量轻量化材料中脱颖而出。
2.碳纤维材料在桥梁工程上的应用
2.1抗弯结构
碳纤维加固技术运用最多的情况就是对于结构的抗弯加固，因为CFRP是一种抗拉轻度极高的单向受力材料，这种特性使CFRP用于加强结构受力特性具有决定性意义。
清华大学的叶列平等人，根据实际进行试验，他们根据试验将CFRP受弯加固破坏形态分为5种:
（1）超筋破坏，即受拉钢筋达到屈服状态前受压区混凝土受压破坏;
（2）适筋破坏I，即钢筋屈服后，受压区混凝土压坏，而此时CFRP尚未达到极限受拉拉状态;
（3）适筋破坏II，即钢筋屈服后，CFRP达到极限受拉状态，而此时受压区混凝土尚未破坏;
（4）保护层混凝土剪切受拉剥离破坏;
（5）CFRP与混凝土基层间粘结剥离破坏。
第一种破坏是因为CFRP用量过多。这种破坏未充分发挥CFRP的强度，甚至还会存在脆性破坏，应当避免此类破坏形式发生。限制CFRP的量来就可以避免此类破坏。第四种保护层混凝土剪切受拉力剥离破坏是由于混凝土强度不够和锚固长度较短引起；而第五种破坏形式，CFRP与混凝土基层间的粘结剥离破坏是由于粘结材料强度不足或锚固较短引起的。这两种破坏都是明显的脆性破坏，一般情况下通过构造措施、规定最低混凝士标号、采用优质粘结材料和保证工程粘结质量或采用机械锚固来控制。
2.2抗剪结构
赵彤等人通过调整试验梁的配箍率，剪跨比，碳纤维布的层数，布带的宽度，及布带的间距等参数，对12片加固与未加固梁进行了系统的抗剪承载能力试验。结果表明，实验梁的配箍率与抗剪承载力提高程度成负相关；吴刚等人曾对20根碳纤维布加固后的抗剪梁进行试验，对加固梁的抗剪破坏特征，抗剪承载力及影响因素进行了研究与分析，提出了计算加固梁抗剪承载力的计算公式，并提出梁的配箍率、剪跨比、纤维布的粘贴范围、粘贴方式、锚固性能及纤维布的用量等因素影响加固梁抗剪承载力及破坏特征的主要因素。
2.3抗压结构
运用CFRP对抗压的混凝土构件进行加固，一般分为两种包裹方式，一是整体环向包裹，另一种是分条环向包裹。利用碳纤维环向高抗拉强度来限制混凝土结构横向变形，使之成为三向受压构件，提高构件的抗压承载力。
赵海东等人通过碳纤维布缠绕钢筋混凝土圆柱的轴心抗压试验研究发现，加固后柱的极限承载力与延性有明显的增强，增加幅度与碳纤维布的尺寸和数量有关，而且最终的破坏形态一般为纤维布在柱的棱角处发生剪切破坏，存在一定的不可预见性，但破坏前会有声音发出，使破坏可预测，并提出了用碳纤维布加固钢筋混凝土柱的轴心抗压承载力计算方法。碳纤维布包裹混凝土圆柱的试验表明，用碳纤维增强环氧树脂包裹四层碳纤维布的圆柱，其破坏承载力比未加固柱的承载力提高到原来的2.2倍，而且环向缠绕是最能发挥材料性能，最有效的方式。
2.4抗拉结构
现在对CFRP拉索在桥梁中的研究分析大多是研究CFRP拉索替换己有钢丝拉索后，对桥梁整体性能的产生影响。主要内容包括：CFRP拉索替换钢丝拉索准则以及CFRP拉索在超大跨径斜拉桥中的优势。
国内外学者围绕CFRP筋高强度、低模量的特点，在有限元模型中分析研究在等强度、等刚度替换准则下，使用CFRP拉索替换钢丝拉索后，对桥梁整体工作性能的影响。研究显示，CFRP拉索刚度对桥梁动力响应有着重要影响，两种替换准则适用范围与桥型存在密切关系。一般认为，在大跨径斜拉桥中，采用等强度替换准则将引起桥梁竖向刚度以及自振频域降低，故采用等刚度准则更适用于CFRP拉索设计。为解决CFRP拉索模量低、采用等刚度准则设计造成材料使用率偏低的问题，熊文提出CFRP拉索与钢索在新建斜拉桥设计组合方案，该方案将CFRP斜拉索与钢拉索组合应用于不同斜拉桥荷载状态，将各自优势充分发挥并弥补对方缺点，提出了安全系数、刚度、经济三种CFRP拉索设计准则，并针对不同跨径斜拉桥对上述设计准则的适用性进行讨论。
CFRP筋具有轻质的特点，其应用于超大跨径斜拉桥可有效缓解拉索重力垂度效应造成的有效刚度下降，进而提升超大跨径桥梁的整体刚度，改善抗风性能。陈蓓对CFRP斜拉索风致响应、风—雨振进行模拟，结果显示:同钢丝拉索相比，CFRP拉索有效刚度较大，有利于增强索体系的抗风能力; CFRP索风雨激振幅值小于同等条件钢索，在抗风雨性能具有一定优势。
CFRP筋在土木领域应用初期，主要用于替换混凝土构件内部钢筋或无粘结预应力钢丝(钢绞线)，锚固研究内容主要包括:确定CFRP筋在混凝土构件内的最小锚固长度以及CFRP筋预应力锚具研发。其中，预应力锚具研究主要围绕单根CFRP筋锚固展开，相关研究结果可用指导CFRP拉索锚固体系设计。
CFRP拉索锚固体系需要对多根CFRP筋进行整体锚固，并确保各CFRP筋协同工作。受限于锚杯内部空间，拉索锚固体系要求单根CFRP筋锚固占用空间尽可能小。故大多数摩擦型锚固方案不适用于CFRP拉索。现阶段对于索体筋数大于7根的CFRP拉索，基本采用粘结锚固方案。
2.5疲劳结构
目前，主要是桥梁结构使用碳纤维布进行疲劳加固。桥梁通常在承受静载作用之外，还要承受的车辆荷载、水的冲击荷载、风荷载等荷载作用，根据经验桥梁往往发生疲劳破坏都是在低于使用荷载的情况下。因此，研究加固构件的疲劳性能是对于理论与实际的工程意义十分重要。以4片碳纤维布加固损伤混凝土梁进行疲劳性能的试验研究，试验结果表明：碳纤维布加固损伤的混凝土梁，其疲劳寿命可提高1.5倍左右，疲劳变形减小了五分之一到三分之一，较大的提高梁的疲劳抗裂性能。综上，应用粘贴碳纤维布可以提高损伤混凝土梁的疲劳性能，延长损伤混凝土梁的使用寿命。
3.总结与思考
CFRP材料在工程上的应用已经十分广泛。近年来，对于这类新材料的研究与应用也愈加成熟。虽然CFRP具有强度高，质量轻，耐腐蚀，耐疲劳等优秀的属性。但是其造价高和工艺难度大的缺点也是十分明显的。至少现阶段，我们无法随心所欲的想使用钢筋一样使用CFRP。
参考文献：
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作者简介：钟志权（1993-），男，汉族，黑龙江绥化人，重庆交通大学硕士研究生，研究方向：大跨径桥梁设计理论