用于索结构的碳纤维增强聚合物(CFRP)研究综述

刘越，BerndZwingmann，MikeSchlaich

摘要：碳纤维增强聚合物(CFRP)是一种先进的复合材料，具有强度高、重量轻、无腐蚀、抗疲劳性能优异等优点。因此，单向CFRP在索结构中具有很大的发展潜力，可以取代钢索。然而，CFRP是一种典型的正交各向异性材料，垂直于纤维方向的强度和模量远低于纤维方向的强度和模量，这给CFRP索的锚固带来了挑战。本文概述了CFRP索在索结构中的应用，包括历史回顾、现状和未来展望。在介绍碳纤维的性能、力学特性和CFRP索的结构形式后，对国内外现有的CFRP索结构(均为桥梁)进行了综述。尤其详细介绍了它们的CFRP锚固系统。本文还介绍了CFRP索的新应用，即索屋顶和索外墙，包括一个CFRP索顶原型的介绍及一种新型结构-CFRP索带连续缠绕的概念设计。此外，简要介绍了其他阻碍CFRP索结构广泛应用的挑战。

关键词：纤维增强聚合物；CFRP索;索结构；锚固

1．引言

索结构可以定义为一种结构，其中一根索或一套索系统作为明显的主要承重结构元件。

人类建造索结构的历史可以追溯到石器时代。当时，人们利用藤蔓和攀缘植物作为缆绳建造吊床和吊桥。除了建造在陆地上的索结构外，索还被用于海上的帆船上，已有数千年的历史。

索的材料从古代的植物纤维发展到熟铁再到今天的高强度的钢。回顾索结构的历史，可以发现，索材料的发展可以显著促进索结构的发展。这种发展主要体现在索结构跨度和索结构形式两个方面。例如，高强度钢索的可用性允许建造大跨度索结构，如跨度超过米的现代悬索桥;它也使新的索结构形式的建造成为现实，如索屋顶和索外墙。几种典型的现代钢索结构如图1所示。

图1典型的现代钢索结构：（1）悬索桥、公路大桥KhoralBatah，阿曼（图片来源：STRABAG）（2）斜拉桥、Evripos桥、希腊（图片来源：sbp）；（3）索桁架屋顶，附件Lutherhaus屋顶，德国（图片来源：莫妮卡Nikolic）；（4）悬索屋顶，车站广场海尔布隆玻璃天棚，德国（图片来源：sbp）；（5）索桁架外墙，外观机场马拉加、西班牙（图片来源：Roschmann）；（6）鞍型索网，树冠Autostadt沃尔夫斯堡，德国（图片来源：sbp）；（7）索网塔、干燥冷却塔在Hamm附近的Schmehausen，德国（图片来源：sbp）；（8）拱形塔钢索支撑屋顶，摩西马比达体育场，南非（照片来源：sbp）；（9）辐条轮索屋顶，湾竞技场德国勒沃库森，（图片来源：拜尔勒沃库森傅球GmbH）

碳纤维增强聚合物(CFRP)是一种由碳纤维增强的聚合物树脂制成的高级非金属复合材料。它具有高强度、轻量化、无腐蚀、高抗疲劳等优良性能。因此，碳纤维布具有很大的发展潜力，可以在索结构中替代钢索，极大地促进其发展。

本文对碳纤维在索结构中的应用进行了综述。首先，介绍了碳纤维和聚合物基体的特点。第二，比较了碳纤维索与钢索的形式和力学性能差异。然后，对世界各地现有的CFRP索结构进行了图片和图纸的展示，包括结构样式、几何形状和设计细节;其中，对CFRP锚固件的使用给予了特别的

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