圖1 上海石化大絲束原絲棧橋現場圖

 

 

       1.技術簡介

       碳纖維增強復合材料（簡稱碳纖維復材，CFRP）具有輕質高強、耐腐蝕、耐疲勞等優點，廣泛應用于航空航天、土木建筑、體育裝備等領域，是未來極具潛力的新型結構材料。

 

       在橋梁中采用碳纖維復材索替代傳統鋼索是近年來相關領域研究開發的熱點。碳纖維復材索有助于實現更大跨度的橋梁，進一步提升橋梁拉索的服役年限。碳纖維復材索根據結構形式可以分為平行棒索、平行板索、絞線索和拉桿索等。

 

 

 

圖2 不同類型的碳纖維復材索[1]

 

 

      清華大學馮鵬課題組對不同形式的碳纖維復材索開展了系列研究，提出了一種自錨一體式碳纖維復材索，并進行了相關力學性能測試和分析，論證了該新型構件力學性能的可靠性及優越性。針對該構件的相關研究詳見“橋長長其修遠兮，吾將上下而‘碳索’——萬米大橋中的碳纖維復材索”。自錨一體式碳纖維復材索因其索體輕薄、錨索一體而具有輕盈簡潔的藝術效果。

 

 

 

圖3 自錨一體式碳纖維復材索的三種構造形式[2-7]

 

 

       2.項目簡介

 

       上海石化原絲運輸棧橋項目采用了自錨一體式碳纖維復材索，由清華大學負責相關技術、京冶負責設計、中復碳芯負責制作，成功實現了該類型碳纖維復材索在國內的例工程應用。新型碳纖維復材索在該項目中為工業廊道鋼桁架橋的斜腹桿。該鋼桁架橋跨度為30米，高度為4.5m，連接南北廠區，用于生產過程物料自動化運輸。結構布置圖如圖4所示。

 

 

圖4 鋼桁架橋結構布置圖

 

 

       本項目采用的碳纖維復材索長4.3m，采用國產碳纖維為原料，單根索的極限抗拉承載力高達4550kN，而索體的自重僅為4.5kg/m。

 

 

 

圖5 碳纖維復材索的制作過程

 

 

       3.現場安裝

 

       由于自重很輕，施工非常方便，該棧橋現場安裝的速度大大提升。

 

 

圖6 碳纖維復材索棧橋的安裝流程

 

 

       4.結語

 

       清華大學馮鵬課題組一直從事土木工程纖維復材的相關理論研究、技術創新和工程示范，其中碳纖維索的開發經歷了十余年，終在該項目中得以應用。特別感謝岳清瑞院士不斷引領和推動我國土木工程纖維復材發展，特別感謝中冶建研院、中復、上海石化、北科大、秦皇島耀華、工兵一所、北玻院等單位的領導和同仁大力支持，期待碳纖維復材索在橋梁工程領域有更為廣闊的應用！讓我們一起“碳”索！

 

       5.參考文獻

 

       [1] GB/T 35156，2017. 結構用纖維增強復合材料拉索[S]. 北京：標準出版社.

 

       [2] 馮鵬，艾鵬程. 用于橋梁的拉索. 發明[P]， 授權號：ZL 20161085497.1， 2016-09-27.

 

       [3] 林紅威，艾鵬程，馮鵬. 自錨式碳纖維拉索及加工方法. 實用新型[P]， 授權號：ZL 202010942659.4， 2020-09-09.

 

       [4] 艾鵬程. 自錨一體式碳纖維復材拉索受力性能及設計方法研究[D]. 北京：清華大學，2021.

 

       [5] Pengcheng Ai, Feng Peng, Lin Hongwei, et al. Novel self-anchored CFRP cable system: concept and anchorage behavior[J]. Composite Structures, 2021, 263: 113736.

 

       [6] Pengcheng Ai, Feng Peng. Mechanical behavior of CFRP laminated strip-loop cables[C]. Proceedings of 6th Asia-Pacific Conference on FRP in Structures, Singapore.

 

       [7] Xiong, Jianwu, Pengcheng Ai, Jin Xu, Jia-Qi Yang, and Peng Feng. A comprehensive study on CFRP rapid portable bridge: Design, experimental investigation and finite element analysis[J]. Composite Structures, 2022, 289: 115439.