瑞士温特图尔镇斯托克桥上碳纤维(CFRP)斜拉索的介绍.pdf

5 i 左 技末 2 9 年第1 期总第 7 2 期 P R E S T R E S S T E C H N O LO G Y 律炙园地 _-瑞士温特图尔镇斯托克桥上碳纤维(C F R P)乌尔斯 梅 尔著 斜拉索的介绍 李双荣译(瑞士联邦材料测试与研究实验室E M P A)(p 4,1,1 欧维机械股份有限公司柳州5 4 5 0 0 5)摘要：从1 9 8 0 年起，瑞士杜本多夫的E MP A，苏黎世一 斯维尔森巴的B B R 公司，巴塞尔的C i b a A G 公司，以 及祖维尔的s t e s a l i t AG公司，就一直研究开发应用于斜拉桥和悬索桥的碳纤维增强聚合物(C F R P)平行纤 维线束。这种纤维线束具有卓越的力学性能及抗腐蚀性，很高的强度和相应的弹性模量，以及优良的抗疲 劳特性。运用C F R P 拉索以及将来推广使用所面临的关键问题是如何锚固。这里描述了一种已申请了专利一 一基于陶瓷和环氧树脂而制成的梯度锚固方法。1 9 9 5 1 9 9 6 年，两根大尺寸的C F R P 斜拉索首次运用于位于 瑞士温特图尔镇斯托克桥上。该桥为一主跨1 2 4 米，两车道的斜拉桥。1介绍 在过去的3 O 年里，桥梁界 已见证了越来越多 的斜拉桥和悬索桥的拉索破坏情况。由于日益增 加的腐蚀和疲劳载荷，桥上的拉索 已难堪重负。大多数桥梁工程师似乎都认同应提高此类拉索的 防腐和抗疲劳I 生能的观点。研究者们提出了使用 非金属材料亦即非腐蚀性材料的现代解决办法。从二十世纪八十年代早期，替代钢丝用于斜拉索 的碳纤维增强聚合物(C F R P)已有介绍。从使 用寿命的观点出发，研究表明碳纤维增强聚合物(C F R P)相对于芳香族化合物或玻璃具有非凡 出众的效果。未来碳纤维增强聚合物具有极高的 应用潜力。接下来研究开发工作的目的是开发能 适用于碳纤维丝束(C F R P)、并能发挥其巨大 潜力的锚具系统，使得用这种复合材料制成的平 行丝束具有高可靠性，并将其运用于试验工程项 目。2碳纤维 这种理想 的建筑材料主要 由位于化学周期表 的中间部分的元素制成。这些元素包括碳元素，在其原子周围形成有强而稳定的离子键。通过这 种离子键将原子绑结在一起的材料，具有刚硬、高强度、甚至在相对很高的气温条件下，也能承 受各种化学环境的侵蚀的特性。而且其密度低，原材料来源丰富，取之不尽。碳纤维是将直径5 一 l 0 微米 范围 内的有机聚脂纤维丝经碳化而制成 的。在本研究项目上使用的碳纤维是T O R A Y C A T 7 0 0 S，其强度达4 9 0 0 M P a，弹性模量达2 3 0 G P a，破 断延伸率2 1。密度1 8 g c m 。轴向热澎涨系 数几乎为零。3碳纤维增强聚合物丝 乍一看，一种由平行纤维束和聚合物基体制 成 的先进复合材料似乎有不必要的复杂性。为什 么不把实心碳棒(丝)用作索体的平行线束呢?正如上述所提到的，碳是一种非常粗糙，但却如 化学元素周期表 中间的元素一样具有非凡的性能 表现的材料。然而由于其极具脆性，像这样的材 料以往很少用作结构材料。用这类材料制作的构 件，即使表面上存在光滑凹槽或内部细微缺陷都 会导致突然地、早强地和灾难陛地失效。考虑其 化学结构特性，及统计表明用度碳制成纤维形 式，能显著增强其强度以及大大地提高其可靠 性。而且，存在于复合纤维丝内的裂纹不会像其 在实心碳丝 内那样突然地传播，纤维丝上的缺陷 不会不可避免地导致构件失效，当纤维丝内置于 聚合物基体时，能充分展示其全部强度，而且其 破断时变形量极小。鉴于上述这些因素，C F R P 纤维丝是非常可靠的。、PRESTRES。STECH。N OL O GY 律 炙园地-C F R P 纤维丝是通过抽拨挤出的方式加工而 成的。这是一个将增强聚合物丝连续撞出的工艺 过程。原纱的抽拉依次经过灌满环氧树脂的容 器、成型模，最后到达养护区。纤维丝具有很好 的平行排列和连续性。在本研发项 目上用的增强 纤维丝的纤维的体积含量比在6 8 一 7 2 的范围之 间。C F RP 丝 的轴 向性能(弹性模量、强度)可简单地通过混合物规则计算得出。测出的性 能参数值参见表1。本项 目上用的纤维丝直径 为5 ram 表1 抽拨T 7 0 0 S 纤维线的性能参数 I抗 托强 度a (纵向)3 3 0 0 M P a i 弹性模量E(纵向)1 6 5 G P a 密度 1 5 6 g c m 纤 维含量 6 8 V0 l 热膨 胀性(纵向)0 21 0 一 m m 4 O F R P 索体 索体由平行的C F R P 纤维丝束制成。将纤维 丝平行布置的主要目的是使纤维丝在索体中较之 单 根纤 维丝 而 言具 有最 小 的强度 损失。既然 C F R P 纤维丝具有非常好的防腐性能，因此不需 灌浆或作防腐处理。然而，仍需采取必要的防护 措施保护其免受风蚀和紫外线幅射的侵蚀，因为 这两种侵蚀可 降低纤维丝 的表面性 状。塑料管(P E 填充碳黑)可用作合适的外层防护。5 O F R P 拉 索锚具 C F R P 拉索的应用面临的关键 的问题，和将 来推广使用的障碍是如何锚固拉索的问题。上述 的C F R P 纤维丝的卓越 的机械性能参数仅仅是在 其纵向上的性能表现，其侧 向性能包括 内层组织 间的抗剪性能相对贫弱，这使得锚 同C F R P 纤维 丝束并获取其全部的静载和疲劳强度非常困难。E M P A 开发的C F R P 拉索使用锥形树脂填充成 型锚固体。对填充入锚头的金属锥筒和C F R P 纤 维丝之 问的空 间的填充材料的评估是 问题 的关 键。这种浇铸材料，也叫荷载传递介质(L T M)必须满足诸多要求。囝 颓左 技末 2 o 0 9 年 第1 期 总 第 7 2 期 一 L T l 1 L L a b 图 1 一通过这种形式的固结，荷载必须能长时间 地保持C F R P 纤维丝的高静载和疲劳强度。一锚头的金属锥筒和C F R P 丝之间应避免产 生电流腐蚀。电流腐蚀对金属锥筒有害。因此荷 载传递介质(L T M)应为电绝缘材料。锚同筒内的锥面提供了必要的放射状压力以 提高C F R P 纤维丝内层组织 的抗剪强度。此概念 通过用 一根纤 维丝 的系统 为例说 明，如图 1 所 示。如果锚固筒 内的荷载传递介质全长都用环氧 树脂填充，那么在锚固体最前端 的C F R P 纤维丝 表面上将产生很高的剪应力集中(图1 a)。这个 剪应力峰值将引发C F R P 纤维丝撕裂或拉伸失 效，但却远远低于其抗拉强度。可以通过不填充树脂 的方法避免此剪应力峰 值 的产生。然而这样会 引起徐变和早期应力破 断。最好的设计方案如图l b 所示。荷载传递介质(L T M)是一种梯度 变化材料。在锚 固筒 的前 端，介质的弹性模量较低，依次向后连续提高至 最大值。荷载传递介质包含有氧化铝(A 1，O )陶 瓷颗粒物，直径为2 m m。所有的颗粒具有相同的 尺寸。为获取较低的介质弹性模量，颗粒物用一 层厚环氧树脂涂覆，并在使用前做养护，由此可 避免其在锚 固筒 内产生收缩。中等弹性模量介 质，对颗粒物进行薄层环氧涂覆获取。高弹性模 量介质，用颗粒物不进行涂覆直接填入锚同筒(图2)获取。通过这种方法，荷载传递介质的 弹性模量可达到特定要求的效果。颗粒物之间的 孔穴可用环氧树脂以真空铸型方法填充。此方案 的结果如图2 所示。大量的此类碳纤 维束在E MP A 进行了静载和疲劳试验，结果证明 了所采用的锚固系统很可靠。其静载抗拉能力达 P R E S T R E S S T E C H N OLOGY 律炙园地 L _ _ 9 i 左 技末 2 9 年第1 期总第 7 2 期 到了整束 中单根纤维抗拉极限总合的9 2。这个 结果 已十分接近理论要求抗拉能力9 4。在 EMP A进行 的拉 索疲 劳试 验表 现 出 了CF RP 循 环 荷载下高强的疲劳性 能。此锚 固系统 已申请 专利保护(美 国专利 号5 7 1 3 1 6 9 和 欧洲专利号 O 7 1 0 1 3 B1)。设 于苏黎世一 斯维尔森 巴的B B R 公司已从E M P A 获得国际许可证。2 6斯托克桥创造了国际桥梁建设上使用O F R P 拉索的里程碑 斯托克桥建于1 9 9 6 年，位于瑞士温特图尔火 车站，跨越1 8 道铁轨。为中央 A形独塔，两几乎 相同的边跨各为6 3 米和6 l 米(图3)。其拉索汇 集于塔顶，并在A 形塔顶部 的箱锚室 内锚 固。上 部结构有两条主纵梁(H E M5 5 0，F e E 4 6 0)问 隔8 米，支承预制面板。在斜拉索 的锚 固点设立 横梁(I P E 5 5 0，E 3 3 5)纵梁通过剪力钉与桥面板 连接，组成复合梁结构形式。1 ；S in 1 翰 黝鳓 鼎驻嬲鞠嘲蛹 磁嬲鞲 鞠【0j IT I 6l m 图3 用于斯托克桥的C F R P 斜拉索型号包含有2 4 1 根 5 m m 纤维丝。此拉索承受的荷载大于桥梁的 允许荷载 的3 倍，并 经受 了1 0 0 0 万 次的循环 荷 载。这相当于桥梁在使用过程中的预期荷载的好 几倍。两根C F R P 拉索的锚具与其相邻的钢丝拉 索锚具都由E M P A 安装了常规传感器和具有当时 技术水平的玻璃纤维传感器，以对拉索的应力和 变形进行长期监控。这一布置也提供了理论模型 与实际应用的对 比状况。这一开发项 目受到 了C T I(技术与创新 委员 会)的支持，目的是在世界范围内增强桥梁建设 工程师对碳纤维拉索的信心，并由此创立瑞士工 业在斜拉索领域内的领先地位。斯托克斜拉桥理所当然是世界桥梁建造史上 的一座里程碑，因为C F R P 拉索不仅在防腐和疲 劳性能上具有优良的表现，而且在具有同等强度 条件下，C F R P 拉索的重量只有钢丝拉索的五分 之一。这种高强轻质的特性使得未来建造更长跨 度 的桥梁成为可能。7长期 监控 对于小规模试用C F R P 拉索，要求做长期的 监测以最后获得对使用这种现代材料的信心。这 类 材料 的结构安全和结构特性变化令 人最感 兴 趣，尤其是长期使用经验的缺失。清晰的健康记 录只可能通过可靠的传感器和收集数据获取。受 力、应力和变形经常通过应变测量来监测。在本 工 程 项 目上，CF RP的应 变 由基 于纤 维 光 栅(F B G s)和电阻应变计(R S G s)的传感系统作 测量，这里利用了其高分辨率、低飘移I生 和高可 靠性。大量地使用传感器不仅提高了测量的可靠 性，而且还可对传感系统的实际可靠性和测量的 不确定性做 出评估结论。结合实际应用，也测试 了传感器的大致的使用寿命。纤维光栅(F B G s)被粘附在受力纤维丝表面 上，及粘附在假纤维丝上用于温度补偿。(与斯 昌_ P R E S T R E S Sr E C H N O L O G Y 律文园地l一 托克桥作对 比，两年后在位于卢瑟恩附近修建的 克林内埃梅桥上所有光栅(B G)传感器都是在工 业生产过程中内置于C F R P 线束中的)。在纤维 线上 的一些纤维 光栅传感器施 加 了预应 变 2 5 0 0 t m m以监测由于纤维分层涂覆或环氧护层 引起 的徐变。在C F R P 束上所受 的载荷为适 中载 荷，相应的平均应变值约为1 2 0 0 p m m。传感器 白1 9 9 6 年4 月使用以来没有出现可靠性问题。关于斯托克桥上的光纤监控数据可靠性的重 要信息，可以从所谓的假纤维丝上的纤维光栅传 感器(F B G S)获取。每根索上的七组纤维光栅 相 对 位 移 基 量 j 5 i 左 技末 2 o 0 9 年 第 1 期 总 第 7 2 期 传感器(F B G S)中的四组安置在无载荷的假纤 维丝上用于温度补偿和徐变监测。经施加预应变 的传感器上的临时应变量值的变化等同于未施加 应变传感器的应变量值的变化。假如产生了滑移 或徐变，预应变传感器会显示一个负飘移值。这 个结果证实了该操作无误。最重要的测量是锚固体锥面和荷载传递介质(L MT)之 间的相对位移。图5，如预期那样，显示了相对位移因时效作用的变化情况。四条曲 线清晰显示了变化平缓的迹象。这与前期估计的 情形相符。广、曩 萱 口 司 。，口 尊 a蠢 a-rq 哥 _ 哒，一 j 。1 二 ：二 二：鑫：之：一-aO-7 r -，叶 -r l一 0一。t 。，r；t，争 a ：I U l l，I，J 、一 j-州 l ：，a卅 。、I，一 L t l，、f I _ 一 t j ，l；l De z 9 6 De z9 7 De z9 8 be z 9 9 De zO 0 De z 0 1 De z 0 2 De z 0 3 8结论 世界范围内，悬索桥的吊杆被定期更换。在 过去2 0 年里，斜拉桥的维护成本相当高。许多斜 拉 索需 要更 换。毫 无疑 问，从技 术 角度看，C F RP 是 当今做 吊杆 和拉索最 合适 的材料。然 而，建桥初期 的成本总是最主要 的，经常是桥梁 业主在做决定时所使用 的唯一指标，这使得 C F R P 难与钢材相竞争。即使碳纤维价格在以 后五年内下降 1 C H F 2 0 k g(U S D 1 6)，(C F R P 材料比钢材轻5 2 倍)，C F R P 拉索仍难以竞争，除非将维系桥的寿命的全部成本加以考虑。一些 用户，如交通部不断要求增加更多的维护桥梁寿 命的成本投入。这考虑了全桥使用寿命过程中的 囝 拉 索 2 O 温 度，O 1 O 、一，0 1 O 预计检测 和维 护费用，通 常按 1 O 0 年计算。如 成本用计算支出费用的净现值方法，以典型现 金折 I H 6 计算，C F R P 拉索对 比钢材拉索则优 势很大。最重要 的一点是要记住，这不是一公斤重材 料的成本，而是制成品、制作安装的成本效率，考虑使用寿命 和以后的更换成本。就这一理念，利用C F R P 纤维带粘结技术已应用于结构加固工 程上，很有可能，这也将是未来C F R P 拉索使用 的范例。译者注：经征求瑞士E M P A 材料测试与研究实验室 相关人员意见，其同意将本文转译成中文，仅用于内部 交流，不得涉及其它商业 目的。特此说明。由于翻译水 平有限不足之处，欢迎批评指正。O 5 O 5 0 5 0 8 7 7 6 6 5 5