未来复合材料的足迹——世界首座完全依靠CFRP的大型桥梁

近年来，新材料一直是桥梁创新的重点。在德国斯图加特，新建造了一座供轻轨通行的系杆拱桥，采用的是碳纤维增强复合材料（CFRP）。拱桥上部结构全长130米，主跨80米，拱高8.5米，两拱肋间距最窄处8.5米宽，最宽处达11.7米，桥梁总占地面积1424平方米。与传统桥梁相比，CFRP系杆拱桥是一种极具创新性和高效的结构体系。这种结构体系，不仅体现了裸露结构的独特设计美感和结构力学性能，更兼具耐久性、安全性和可持续性，同时还减少了施工对交通的中断、降低了成本预算。

维护费用更低的CFRP

瑞士联邦材料科学与技术实验室Empa的研究人员曾在20世纪80年代开始推广CFRP，将其作为在极端载荷和恶劣环境条件下应用于桥梁建设的最合适的拉杆构件。20多年来，桥梁上应用的CFRP拉杆被证明是可以在高达1800MPa的持续受力下保持可靠性。然而，与CFRP的外部粘接加固结构的方法相反，到目前为止还没有商业上的成功案例。最初，土木工程师并不相信CFRP的可靠性，对他们来说，这是一种未知的材料。但是现在，至少从十年前开始，成千上万的工程师们在全球范围内使用CFRP加固应用。因此，在桥梁工程中，可靠性不再是反对CFRP的理由。CFRP拉杆尚未推广应用的唯一原因是其初始成本。例如，如果在苏格兰新建的昆斯费里大桥项目中使用CFRP而不是钢构件，项目总成本将增加约20%。原则上，只比较初始成本是不公平的。负责任的桥梁当局应该考虑到在100年的桥梁使用寿命里，带有CFRP拉杆的桥梁，其维护费用会更低。

其实在德国，CFRP吊杆并不是桥梁工程中应用的最先进技术。因为申请新技术的应用案例需要耗费大量的时间和金钱，流程审批周期长。在这座轻轨桥的案例中，2016年开始建设前，既没有充足的时间，也没有足够的资金，唯一可行的解决方案是申请“单一案例批准（ZiE）”。斯图加特城市公共交通运营商（SSB）要求Empa的研究人员进行必要的实验，模拟在100年使用寿命期间，列车运行时的桥梁状况，并提供相应的专家评估报告。

更适用于铁路桥梁

19世纪末，在经典的竖吊杆系杆拱桥高度普及的同时，Claus Koepcke于1878年在德国的里萨市设计了一座网状斜吊杆系杆拱桥，桥梁跨度为101米。具有多个交叉点的网状斜吊杆可以像桁架一样，具有轴向压力和拉力。

图1 经典的竖吊杆系杆拱桥和网状斜吊杆系杆拱桥

由于对角线的压力，Koepcke把它们设计成精心制作的框架构件。这种设计的复杂性，是到目前为止，为什么只有相对较少的带倾斜构件的系杆拱桥的原因之一。德国的桥梁设计者们在不久的将来，又在网状斜吊杆布置中使用扁钢作为吊杆。一旦这样的吊杆受到压力，它就会松弛。作为桥面板的一部分，沉重的混凝土压力可以避免这种情况。然而，克服这一缺点的一个更好、更经济的解决方案是对吊杆进行预应力处理。这样它们就不会再受到压力，也不需要额外的重量。由于在交通荷载下与系统相关的低变形，网状斜吊杆特别适合于铁路桥梁。然而，到目前为止，全世界也只有大约二十几座这样的桥。这可能主要是由于铁路交通的高疲劳负荷所带来的挑战。

这与CFRP较小的弹性模量一起，导致吊杆的伸长率大大增加，从而解决了吊杆松弛的问题。通过减少质量，同时增加吊杆横截面的相对预应力（相同的力与明显较小的横截面积有关），吊杆的固有振动频率明显上移。这就避开了由雨、风等引起振动的频率范围。因此，在这种情况下，使用圆形截面并不是一个缺点。25年以来，在海洋船舶的应用中，CFRP杆的风致振动频率在10Hz以上。在连接设计合适的情况下，由于CFRP具有较高的抗疲劳性能，它们不会降低使用寿命。通过使用碳纤维拉力构件作为吊杆，细长的杆件也使桥梁更加美观。同时，通过有效的布置，避免了吊杆松弛，也不会因为风致振动而影响使用寿命。

图2 已经安装完毕的网状系杆拱桥和它在夜色中的样子

较高的抗疲劳性能和防火性能

在通过全世界近一个世纪以来的研究与探索，当前钢结构和混凝土结构的设计方法已经达到了非常高的水平。然而，CFRP从1991年才开始在工程结构中应用，因此，设计方法还没有像钢和混凝土结构那样成熟，需要借助全尺寸实验，为有限元模型的校准和分析计算提供依据。研究人员设计了3组CFRP吊杆试验，用来模拟在100年的使用寿命中，火车运行时对吊杆产生的疲劳效应。

之后，又对CFRP吊杆在准静态加载下的荷载/伸长率做了分析，CFRP吊杆在整个载荷范围内表现出几乎完美的线性弹性行为。在卸载过程中产生了一个非常窄的滞回，没有永久性的变形。CFRP吊杆A和B在1130万次载荷循环前后的加载和卸载荷载/伸长曲线是一致的。疲劳试验对CFRP吊杆的刚度影响非常小。

最后，对所有3个吊杆（A、B和C）的极限载荷又进行了预估。表1列出了这些试验的结果。

结果显示，即使是这种小基数的试验，也相当清楚地表明了列车运行百年对疲劳的影响还是相当明显的。Carbo-Link根据有限元计算确定了未损伤的CFRP吊杆的极限载荷为1800kN。

与不进行循环预加载的吊杆极限载荷的95%分位数的下限相比，在极限状态（ULS）下，抗力方面的部分安全系数为1.72，与循环加载后吊杆的剩余强度相对于极限状态下的吊杆设计荷载相比，抗力方面的部分安全系数为1.5。

在讨论CFRP吊杆的防火性能时，有人认为在高速公路上发生油罐车事故时，网状系杆拱桥的预应力混凝土板会保护吊杆不受火灾影响。在科学文献中，没有介绍CFRP材料防火性能的相关文章。然而，Empa给出的报告中进行了钢筋混凝土梁的防火性能测试，其中涉及CFRP材料，可以类比到CFRP吊杆。

测试中采用了宽度为74mm、厚度为1mm的CFRP层压板，对两根宽400mm、深300mm的钢筋混凝土梁进行了加固。在5.2m的跨度上以四点弯曲的方式加载了容许载荷。CFRP层压板必须承受符合ISO 834标准的火灾温度。10分钟后，温度达到660℃，CFRP层压板的部分表面发生短时间内着火。当黏结接头处的平均温度达到200℃时，与混凝土的黏结开始失效。然而，CFRP层压板继续发挥着预应力锚的作用，因为黏结剂在支撑区域仍然起作用。层压板的长度为20cm，由岩棉保护，以防止支撑处的热损失。20分钟后，在765℃的温度下，层压板的表面完全着火了。个别纤维垂下并燃烧起来。燃烧表面的炭化过程在层压板的厚度上逐级进行。由于碳纤维在剩余的横截面上几乎没有强度和刚度的损失，CFRP层压板继续作为预应力工作。在大约865℃的温度下进行45分钟后，由于CFRP筋的“锚定”失效了，剩余的CFRP层压板开始松动，但剩余的承载横截面积仍然在50%左右。

通过对上述1mm厚的CFRP层压板的行为改变，可以得出以下结论：CFRP吊杆上的环部是很关键的，假设8.5mm厚的环形层压板在860℃左右的温度下，燃烧45分钟，横截面将损失1mm宽和1mm厚。但仍有85%左右的横截面不会被损伤。这意味着吊杆在45分钟内发生故障的可能性不大。

在20世纪90年代，对于反对CFRP首次应用在桥梁建设中的人们来说，CFRP杆易被破坏是一个非常重要的理由。出于这个原因，Empa的研究人员在实验室里模拟了CFRP吊杆的破坏行为。实验表明，要造成真正的损伤是非常困难的。CFRP的反对者进一步声称，预应力吊杆可能会被击落，然后与大量的混凝土一起掉落到桥面上，导致交通事故发生。因此，Empa的专家们开始研究预应力CFRP杆。但射击并没有使吊杆掉落，只是吊杆的横截面积根据子弹的尺寸减少了。由于预应力CFRP杆的受力是单向的，因此在射击孔处甚至没有应力集中产生。

环保与可持续性

在斯图加特城市铁路桥的案例中，主管部门并没有要求对CFRP吊杆进行全生命周期评估（LCA）。但是在130米跨度的奥得河铁路桥上，不管是采用CFRP吊杆，还是钢吊杆，必须进行全生命周期评估。对CFRP来说，生产碳纤维所需的相对较高的能源消耗尤其重要。1小时内的生产温度在1500℃左右。基本原料是一种油基聚丙烯腈聚合物纤维。

根据EN15978规范，LCA分析的系统边界包括材料生产阶段（模块Al～A3）、施工阶段（模块A4～A5）、使用阶段（模块B1～B7）、报废阶段（模块C1～C4）和模块D，其中模块D分配了由于材料的循环、回收或再利用带来的效益和负荷。在该标准中，只有Al～A3模块是强制性的。此外，模块D被认为超出了LCA的系统边界，即使对结构进行了完整的生命周期分析，其使用也是可选的。吊杆的CFRP和钛合金部件的生命周期清单(LCI)数据的测定是相对精确的，所设想的过程是明确的。确定钢材的LCI数据比较困难，因为在这种情况下，能源组合和生产过程都没有被明确的定义。因此，只能采用标准的经验值。然而，这些不确定性并没有从根本上影响结果。对于Al～A3的生产阶段，钢变体的二氧化碳排放量大约是CFRP解决方案的3倍，而钢的能源消耗是其两倍以上。

在安装结构时（A4～A5阶段），CFRP吊杆几乎没有受到任何环境的影响。由于吊杆的重量很轻，所以不需要起重设备。一或两个工人就可以很容易地用手将吊杆搬运到现场。与钢吊杆相比，不需要焊接。吊杆仅用螺栓固定即可。在使用阶段（B1～B7），CFRP可以发挥极好的耐腐蚀性和抗疲劳性能。如果废弃阶段（C1～C4）在100年后或更早发生，那时已不再需要桥梁，CFRP吊杆还可以继续用作起重机结构中的拉伸部件。到目前为止，CFRP已经可以被粉碎并添加到沥青中，作为重载公路路面的加固材料。五年来，英国一直有公司从CFRP中回收纤维，并将其重新用于要求不高的结构工程中。

在斯图加特的网状斜吊杆系杆拱桥案例中，CFRP吊杆首次在基于初始成本的竞争中战胜了钢材。CFRP与这种类型的桥梁所需的特定材料特性最为匹配。这使得未来网状斜吊杆系杆拱桥的经济跨度大大扩展到300米以上。这是第一座完全依靠CFRP吊杆的大型桥梁，将为CFRP在后续结构上的应用建立更多和更广泛的认可。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2022年 第4期 总第108期

作者 / Urs O. Meier等

作者单位 / 瑞士联邦材料科学与技术实验室

资料来源 / SAMPE 欧洲会议2020论文集

编译 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 王硕

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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