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摘 要 纜繩結(jié)構(gòu)是指將纜繩系統(tǒng)作為主要承載結(jié)構(gòu)元素的結(jié)構(gòu),，早期的人造纜繩結(jié)構(gòu)采用天然植物纖維如藤蔓和爬山虎等，如今應(yīng)用廣泛的是鋼索材料，但隨著具有輕質(zhì)高強,、耐腐蝕,、耐疲勞等優(yōu)異特性的碳纖維出現(xiàn),，使其成為最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧稀?br> 本公眾號將針對纜繩結(jié)構(gòu)用碳纖維復(fù)合材料（CFRP）進行系列專題綜述,，主要內(nèi)容涉及纜繩概念及材料發(fā)展、CFRP纜繩主要形式,、CFRP纜繩在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實例并展示了設(shè)計草圖,，并分析CFRP纜繩面臨主要問題。作為系列文章的開篇,，本文將首先介紹CFRP纜繩材料的幾種常見的形式和性能,。 1 纜繩材料的發(fā)展 纜繩結(jié)構(gòu)可以簡單定義為將纜繩系統(tǒng)作為主要承載結(jié)構(gòu)元素的結(jié)構(gòu)，常見的鋼索、電纜等,。人造纜繩結(jié)構(gòu)的應(yīng)用歷史可以追溯到石器時代,。 當時，人們通過使用植物纖維材料如藤蔓和爬山虎作為纜繩來建造吊床和懸索橋,，除了陸地上纜繩結(jié)構(gòu)外,，纜繩在海上航行的帆船上已經(jīng)使用了數(shù)前年。而如今纜繩所用的材料已經(jīng)從古時候的天然植物纖維發(fā)展到今天的眾所周知的鍛鐵和高強度鋼（圖1）,。 圖1 具有典型鋼索結(jié)構(gòu)的希臘埃夫里波斯大橋斜拉橋 回顧纜繩結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史,，可以發(fā)現(xiàn)其材料的發(fā)展對結(jié)構(gòu)發(fā)展有著重要的推動作用。這主要體現(xiàn)在兩個方面,，即纜繩結(jié)構(gòu)的跨度和結(jié)構(gòu)形式,。例如，高強度鋼索使大跨度纜索結(jié)構(gòu)成為可能,，如跨度超過1000米的現(xiàn)代懸索橋,；它也使具有新形式的纜索結(jié)構(gòu)的建造成為現(xiàn)實，如纜繩加工的屋頂?shù)龋▓D2）,。 圖2 鋼索材質(zhì)的勒沃庫森灣競技場輻條輪屋頂 碳纖維增強聚合物（CFRP）是由碳纖維增強的聚合物樹脂基體制備而成的一種先進的非金屬復(fù)合材料,。它具有強度高、重量輕,、耐腐蝕,、抗疲勞等一系列優(yōu)異特性。因此,，CFRP可以制成纜繩并替代傳統(tǒng)的鋼索,，CF與鋼性能對比如表1所示，碳纖維體密度小但是拉伸強度顯著高于金屬鋼,。 表1 碳纖維與鋼結(jié)構(gòu)材料性能對比 2 CFRP纜繩結(jié)構(gòu) 自上世紀70年代碳纖維問世以來,，CFRP目前已經(jīng)在航空航天,、國防工業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用,，最早在1977年國外就已經(jīng)提出將碳纖維用于纜繩結(jié)構(gòu)，但由于高昂的成本阻止了碳纖維這種用途,。 CFRP首次正式在出現(xiàn)在建筑業(yè)中是在1991年,，當時通過使用CFRP對瑞士盧塞恩的Ibach橋進行。從此以后,，CFRP不僅在加固,、修補、加固等方面得到了越來越多的應(yīng)用,，而且在纜繩結(jié)構(gòu)中也作為拉索使用,。 在拉索結(jié)構(gòu)中通常采用單向CFRP材料制造，依靠CFRP纖維方向上高強度來承載外部拉力。上世紀90年代,，瑞士聯(lián)邦材料測試與研究機構(gòu)EMPA的Urs Meier教授在該領(lǐng)域做了開拓性工作,，1996年他在懸索橋中首次使用了該技術(shù)，安裝了2條長度為35 m的CFRP纜繩（圖3）,。 圖3 1996年全球首條帶捆綁碳纖維纜繩的公路橋梁 根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式,，現(xiàn)有的CFRP纜繩（拉索結(jié)構(gòu)）可分為四種主要類型： a、薄片型CFRP纜繩材料,，主要采用拉擠成型或?qū)訅撼尚凸に嚰庸?；b、條形環(huán)形式的CFRP纜繩,，通過將連續(xù)的CFRP條帶纏繞在兩個插針上制成,，條形環(huán)可以選擇分層或不分層；c,、桿式CFRP纜繩,，通常采用拉擠成型工藝加工；d,、鋼絞線形CFRP纜繩,，它是通過將多根CFRP線纏繞成螺旋狀制成的，所用的CFRP通常是拉繞工藝生產(chǎn),。四種不同類型的CFRP繩索結(jié)構(gòu)如圖4所示,。 圖4 四種常見的CFRP纜繩結(jié)構(gòu) 目前市場銷售的幾種CFRP纜繩產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、主要特征及力學(xué)性能等與鋼索結(jié)構(gòu)對比如表2所示,。在表2中的CFRP產(chǎn)品均是采用標準模量級碳纖維（性能見表1）,，CFRP中碳纖維體積約為60%，而全鎖鋼絲繩（Steel full-locked coil rope）是一種常用的纜索型現(xiàn)代纜索結(jié)構(gòu),。 從表2可以看出,，全鎖鋼絲繩結(jié)構(gòu)強度為1.5 GPa要明顯低于其他形式的CFRP纜繩材料，雖然鋼索結(jié)構(gòu)具有模量上的優(yōu)勢,，但是CFRP纜繩優(yōu)勢還體現(xiàn)在,，其體密度僅為鋼索密度的1/5左右。 CFRP纜繩材料除了具有高強度和低重量外,，相比鋼索具有更好的耐腐蝕性,、抗疲勞性以及更低的熱膨脹性。除此以外,，由于碳纖維具有優(yōu)異的抗蠕變性能,，CFRP纜繩的應(yīng)力松弛很小，無需限制持續(xù)的拉伸應(yīng)力,。 在下期精彩文章中,，將會詳細介紹CFRP繩索在國外各種橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用實例,。 （精彩待續(xù)…………）
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