碳纖維複合材料在橋梁結構上的應用

    應用技術

    作者：張曉滿

    [摘 要]碳纖維複合材料是一種新型複合材料，具有十分廣泛應用領域，作為加固增強材料在橋梁上的使用能大大延長橋梁使用壽命，節省資金。本文通過對碳纖維複合材料在橋梁上的應用原因及途徑的探討，推動碳纖維複合材料在橋梁結構中的規模化應用，為我國碳纖維複合材料產業持續健康發展和交通工業的轉型升級做出有益的實踐。

    [關鍵詞]碳纖維複合材料 橋梁 應用

    中圖分類號：K928.78 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）30-0377-01

    碳纖維複合材料具有輕質高強、耐腐蝕、抗疲勞、性能可設計等特性。碳纖維的抗拉強度為建築鋼材的10倍，彈性模量與鋼材相當，高彈性碳纖維的彈性模量在鋼材的2倍以上，施工性能與耐久性良好，已成為土木工程結構改造和增強的一種重要材料。據預測，到2016年我國碳纖維需求量約為13500噸，而在其能源、交通及工業應用領域約為 60%，其他航空航天、體育休閑各為20%。這說明了碳纖維複合材料在交通和工業領域的應用有著非常大的潛力。

    一、碳纖維複合材料應用橋梁的原因

    由於橋梁結構長期暴露在沿江沿海地區，環境腐蝕影響非常大，且承受多種活載作用（風荷載、交通荷載等）。在腐蝕和循環荷載耦合作用下，傳統鋼筋混凝土橋梁的耐久性能和安全性能問題突出，維護費用昂貴。中國科學院海洋研究所報道，全世界每年因海洋腐蝕導致的基礎設施直接經濟損失達到 7000 億美元。同時，由於傳統材料和設計施工缺陷，大跨箱梁橋的腹板開裂和跨中下撓問題，成為影響橋梁長期性能的關鍵因素。此外，隨著橋梁跨徑不斷增長，傳統斜拉橋鋼拉索在千米級以上利用效率將明顯下降，嚴重影響了橋梁的正常使用性能。以碳纖維為複合材料纖維布/板，碳纖維纖維複合索、網格、型材等在橋梁領域大量應用，成為結構抗震加固的重要手段。近年來，碳纖維複合材料成為解決傳統鋼筋混凝土橋梁結構存在的耐久性能與安全性能問題的重要途徑之一。

    二、碳纖維複合材料橋梁應用的途徑

    近年來，由於國內外碳纖維的快速發展，降低了碳纖維市場價格，這為碳纖維複合材料在基礎設施領域的規模化應用奠定了基礎。碳纖維增強樹脂基複合材料已經在基礎設施領域得到規模化的應用，如橋梁結構的加固與修複等。2012年我國碳纖維總用量為 12，000 噸，而用於橋梁結構加固修複的為總用量的 10%，達到 1，200 噸。傳統的碳纖維複合材料在橋梁結構的應用主要為非預應力的碳纖維板、碳纖維布等的外粘結加固修複，而在碳纖維複合材料預應力加固及新建橋梁結構的應用尚未規模化應用。