碳纤维复合材料在土木工程领域的研究与新应用

Review on Research and Application of CFRP in the Field of Civil Engineering

摘要

面对目前土木工程中传统材料不能解决或不能很好解决的技术难题，开发或利用高性能结构材料，继而提高结构性能已经成为土木工程学科和行业发展的必然趋势。对此，以碳纤维增强复合材料（CFRP）为研究对象，着眼于土木工程用CFRP材料性能研究、CFRP在土木工程领域应用中的关键性能研究以及CFRP（尤其是CFRP索）在我国土木工程领域的新应用，对目前国内外的相关研究及应用现状进行了总结分析，旨在为推动CFRP在土木工程领域的规模化应用提供新思路。

Abstract

Developing high-performance structural materials to address technical challenges that traditional engineering materials cannot solve effectively has become an inevitable trend in the industry of civil engineering. In this regard， this paper focused on Carbon Fiber Reinforced Polymer （CFRP）， including the performance of CFRP materials in civil engineering， key performance studies of CFRP in civil engineering applications， and new applications of CFRP （especially CFRP cables） in the field of civil engineering in China. It summarizes and analyzes the current state of research and applications， aiming to provide new insights to promote the scale development of CFRP in the field of civil engineering.

Graphical abstract

关键词

碳纤维增强复合材料 / 土木工程 / 材料性能 / 粘结性能 / 锚固技术 / 新应用

Key words

carbon fiber reinforced polymer / civil engineering / material properties / bonding performance / anchoring technology / new application

0 引 言

近些年来，随着土木工程行业的进一步发展，传统建材已经不能满足韧性城市建设、复杂城市更新、大型基础设施改扩建等重大工程项目的建设需求。面对这一技术瓶颈，开发或利用高性能结构材料，继而提高结构性能已经成为土木工程 学科和行业发展的趋势之一。在这样的背景下，碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）作为一种高性能结构材料，得到了行业的广泛关注。

CFRP的密度为钢材的1/5~1/4，强度是普通钢材的8~15倍，比强度约为普通钢材的30倍，其轻质高强特点十分突出，同时具有耐腐蚀、抗疲劳、长期持荷性能好等优点。正是凭借这些优异的性能，CFRP成为各个领域不可或缺的基础/关键材料。为推动碳纤维在土木工程领域的发展，国家出台了系列政策，并将“先进结构与复合材料”列入科技部“十四五”国家重点研发计划。在国家政策及行业需求的双重推动下，CFRP在我国土木工程领域的应用以每年近10%的增长率逐年递增。

虽然当前碳纤维复合材料在土木工程领域中的应用前景向好，已经在工程加固领域及新建工程中得到了推广应用，但是，关于土木工程用CFRP的材料性能以及CFRP在土木工程领域应用时的关键性能研究还存在需要发展的方面，这些研究的进一步完善将有助于推动CFRP在土木工程领域的大规模应用。

对此，本文聚焦CFRP在土木工程应用中的材料性能和关键应用性能，对围绕上述问题的研究现状进行梳理。基于此，对近些年来CFRP 在我国土木工程领域的新应用进行整理，尤其是CFRP索的应用，旨在促进碳纤维产业的规模化发展，拓宽CFRP 在土木工程领域的应用场景。

1 土木工程用CFRP材料性能研究现状

为实现CFRP在土木工程领域中的安全可靠应用，除针对CFRP材料开展基本的力学性能分析外，高温及长期力学性能也是当前学者较为关注的两个方面。

1.1　 CFRP的高温力学性能研究

土木工程所采用的CFRP由碳纤维和树脂基体组成^［1］，其中碳纤维为增强材料，树脂基体则起到保持纤维基质的作用。

研究表明^［2-3］，组成CFRP的树脂基体在65~130 ℃时，会开始融化，变得有弹性和黏性；当温度高于300 ℃左右时，树脂基体可能会发生燃烧，导致碳纤维分解，材料失去承载能力。因此，为了更好地推广CFRP的应用，国内外学者针对CFRP材料的高温力学性能开展了大量研究，并给出了CFRP在不同温度T下的强度保有率f的回归公式，见表1。

目前针对CFRP的高温力学性能研究，学者一般采用升温后直接进行拉伸试验的方式^［10］。结合CFRP的实际应用场景，该研究方式不能充分反映具有初始恒定荷载的CFRP构件在经历火灾（高温）全过程后的力学性能（如高温冷却后）。因此，需进一步围绕受荷构件高温下的力学性能及高温暴露冷却后试件的力学性能开展研究，为CFRP在土木工程中的应用提供建设性的防火耐高温建议。

1.2　 CFRP的长期力学性能研究

CFRP作为一种包含基体相、纤维相以及二者界面相的多相材料，具有复杂的微观结构，其长期力学性能较传统钢材更为复杂。CFRP的长期力学性能包括其疲劳性能、应力松弛性能、蠕变和徐变断裂性能。

现阶段对CFRP疲劳的试验研究，主要通过监测疲劳试验中CFRP微观、宏观损伤状态参数的变化趋势或对比疲劳前后损伤状态参数的变化程度，实现对CFRP损伤状态的定量描述^［12］。美国材料协会ASTM将CFRP筋疲劳刚度下降至初始刚度70%时的循环加载圈数定义为疲劳寿命^［13］。CFRP的疲劳性能除了与材料本身有关外，还与材料的锚固方法相关。CFRP料的锚固体系是决定其疲劳性能的关键因素^［14］。在实际工程中，应对该部位进行重点关注。

对于CFRP筋松弛应力损失，相关的试验研究结果显示^［15-16］其松弛率在前期发展快，而后期发展慢，与时间成半对数线性关系，且随张拉力的增大呈增大趋势，CFRP筋总体松弛率较小，仅为钢材的 30%左右。

同时，也有研究表明CFRP存在徐变断裂的问题^［17］，即在低于其抗拉强度的长期拉力作用下发生断裂的现象。因此，为了保证CRFP索在结构设计基准期内不发生徐变断裂，其长期承受的拉应力不能大于某一个限值。考虑CFRP的徐变影响，我国《纤维增强复合材料工程应用技术标准》（GB 50608—2020）给出的CFRP-混凝土组合梁板长期荷载作用弹性模量的折减系数为0.3+0.8V_f，其中V_f为复合材料构件的纤维体积含量。美国混凝土协会的设计指导建议是不超过短期极限强度的70%^［18］。但整体来看，国内外对徐变断裂的研究尚不充分，还未能得到其断裂机理和统一的长期应力限值。

2 CFRP在土木工程领域应用时的关键性能研究

纵观当前碳纤维增强复合材料在土木工程领域中的应用，采用CFRP布或板进行结构加固，以及采用CFRP筋或索代替传统钢材是目前两类较为常见的应用场景。

为落实上述应用，需要保证CFRP与结构的粘结性能及CFRP筋或索的锚固性能。对此，国内外学者开展了相关的研究。

2.1　 CFRP与结构的粘结性能研究

针对CFRP与结构的粘结强度，研究对象主要包括CFRP 与混凝土的粘结性能以及CFRP与钢结构的粘结性能。

围绕该性能，学者提出了一些预测方法，主要包括基于强度的预测模型^［19-20］和基于断裂力学的预测模型^［21-22］。当前研究表明，基于断裂力学的模型能够准确预测CFRP-混凝土和CFRP-钢结构的粘结强度，而且能够很好地解释有效粘结长度的存在^［21］。

目前最常用的粘结强度与界面断裂能的关系为

P_{\mathrm{u}}=b_{\mathrm{p}}\sqrt[]{\mathrm{2}{E}_{\mathrm{p}}{t}_{\mathrm{p}}{G}_{\mathrm{f}}}L\ge L_{\mathrm{e}}（1）

P_{\mathrm{u}}=f\left(L\right)\cdot b_{\mathrm{p}}\sqrt[]{\mathrm{2}{E}_{\mathrm{p}}{t}_{\mathrm{p}}{G}_{\mathrm{f}}}L\le L_{\mathrm{e}}（2）

式中：P_u为节点的粘结强度；b_p为CFRP的宽度；t_p为CFRP的厚度；E_p为CFRP的弹性模量；G_f为界面断裂能，其等于界面粘结-滑移模型所包围的面积；f（L）为关于粘结长度L的函数；L_e为有效粘结长度。从式中可以看出，当CFRP确定后，粘结强度与界面粘结-滑移模型的形状无关，仅与粘结-滑移模型所包围的面积有关。因此，确定相关的粘结-滑移模型是确定CFRP粘结强度的关键。

纵观当前关于纤维复材的粘结-滑移模型研究，已经形成了以BPE模型^［23］、Malvar模型^［24］、连续曲线模型^［25］等代表的FRP-混凝土界面粘结-滑移模型。但是CFRP-混凝土界面失效通常发生在靠近界面的混凝土层，而由于钢材强度远大于胶层强度，CFRP-钢结构的界面失效不可能发生于钢材，而可能发生在胶层、CFRP、钢/胶层界面以及CFRP/胶层界面。因此，二者具有不同的失效模式，上述模型不能直接应用于CFRP-钢结构的设计。

由上述叙述可知，目前暂未形成高精度的CFRP与结构粘结-滑移模型，尤其是CFRP-钢结构的界面粘结-滑移模型。因此，有必要对此开展相关的研究，形成适用于CFRP-不同材料的粘结-滑移模型，以预测相应的粘结强度，从而指导相关设计。

2.2　 CFRP筋或索的锚固技术研究

由于CFRP是单向纤维丝经基体材料固化胶合形成的，表现为明显的各向异性，沿纤维方向的力学性能优异，但横向强度较差，若采用传统的高强钢丝、钢绞线的锚固方法来锚固CFRP筋或拉索，则会导致拉索因“切口效应”在横向上的剪切破坏过早地发生，因此传统的钢材的锚固方法不再适用于CFRP材料。为此，国内外学者针对CFRP筋或拉索的锚固体系开展了较多研究，并取得了一定的成果。

目前，CFRP筋或拉索的锚固体系按照锚杯或套筒的形状不同大致可分为三种^［26］：直筒式锚固系统、锥形锚固系统、复合式锚固系统。不同锚固系统的形式如图1—图3所示。

其中直筒式锚固系统通过在套筒内灌注粘结材料（如树脂、微膨胀水泥、砂浆等），实现对CFRP的锚固。该锚固系统需要较长的锚固长度，能传递的荷载小，抗冲击能力一般，较适用于单根小直径CFRP筋或多根小直径CFRP拉索。

锥形锚固系统常采用夹片式锚具、锥塞式锚具、锥形树脂粘结锚具，此种锚固系统粘结应力分布较均匀，设计灵活、施工方便，但是夹片刚度过大时，易导致拉索加载端对CFRP筋或拉索的横向剪应力过大，从而造成构件的局部破坏。

复合式锚固系统是综合直筒式锚固系统及锥形锚固系统的特点所形成的新型锚固系统，通过锚固结构的设计优化，可减小锚具的锚固长度，同时可避免夹片对CFRP筋或拉索的损伤及切口效应。

目前，国内外对于CFRP筋或拉索的锚固体系研究，基本能满足单根筋或索的锚固要求，但是对于多根筋或索平行布置或绞线型大吨位拉索的锚固技术成果较少，仅有少数单位开发出了适用于大吨位CFRP拉索的锚固体系，其锚固效率也不是很理想。因此深入开展CFRP筋或拉索的锚固体系研究，尤其是大吨位CFRP拉索锚固的研究，将对推进CFRP在土木工程领域的应用具有重大意义和实用价值。

3 CFRP在我国土木工程领域的新应用

自20世纪80年代起，CFRP凭借其轻质高强、耐腐蚀、方便施工等优点，逐渐在既有加固补强中得到应用，如天安门城楼木结构柱加固、宝钢吊车梁的抗疲劳加固等，并已发展成为碳纤维在土木工程领域最为广泛的应用。

然而，传统CFRP加固技术以直接粘贴加固为主，属于被动加固，对CFRP的材料强度利用率很低，加固效果有限。近年来，中建八局针对CFRP预应力加固技术及理论展开系统攻关，围绕CFRP布、板、筋应用于不同加固场景的设计理论、施工工艺和加固效率展开研究，形成了包括椭圆轴锚具预应力碳纤维布加固技术［图4（a）］、基于新型夹片式反向张拉锚固系统、混凝土T梁体外张弦式预应力碳纤维筋加固技术［图4（b）］、钢-混组合梁体外张弦式预应力碳纤维板加固技术在内的系列碳纤维复合材料预应力先进加固技术。

上述加固技术通过对CFRP布/板/筋施加预应力，形成主动加固，可充分发挥CFRP的超高强度，有效提高加固效率，如图5所示。目前已经成功应用于京台高速改扩建（图6）、广州北二环长平立交匝道桥快速加固、上海威海路500号城市更新（图7）、阜阳合肥现代产业园区新能源产业园等多个示范工程。

近年来，随着国家大力支持碳纤维复合材料在土木工程领域的发展，除加固领域外，CFRP在我国新建结构领域的应用蓬勃发展，尤其是碳纤维复材索制品的应用，范围涵盖了桥梁结构、建筑结构、连廊结构、边坡工程、气膜结构等。

在桥梁工程领域，自Meier在1987年提出建设CFRP斜拉桥的概念后^［33］，国外采用CFRP陆续建成了包括Tsukuba桥^［34］（日本，1996），Neigles桥^［35］（瑞士，1998），Laroin市斜拉桥^［36］（法国，2002），Stuttgart铁路桥^［37］（德国，2020）等在内的多座极具代表性及里程碑意义的桥梁。2000年以来，国内学者及研究团队围绕碳纤维索在桥梁工程中的应用不断取得新突破，打造了国内第一座CFRP拉索斜拉桥——江苏大学人行桥^［27］，国内首座应用碳纤维复合材料吊杆索的系杆拱桥——高邮市三垛西桥（图8），我国首座、世界最大跨千吨级碳纤维索斜拉桥——山东聊城市兴华路跨徒骇河大桥（图9）；首座应用3 000 MPa高强度碳纤维吊杆的滨海桥梁工程——青岛市凤凰山路跨风河大桥（图10）；首座应用大丝束碳纤维吊杆的滨海桥梁工程——青岛市海口路跨风河大桥（图11）。在这些国内桥梁的建设中，相关单位陆续解决了国产大吨位CFRP索的锚固、防火、施工等关键问题，逐渐摆脱了国外碳纤维材料的供应依赖，推动了国内碳纤维产业的发展，为我国桥梁工程的新发展提供了强劲解决方案。

同时，CFRP索制品也开始逐步在大跨空间结构领域被示范推广。相较于传统的建筑材料，CFRP具有优越的力学性能（高比强度）、物理化学性能（质量轻、耐腐蚀等）以及其他功能性特点（绝缘、隔热等），是建造大跨空间结构的理想材料。

围绕CFRP在大跨空间结构中的应用，2020年，为降低内环交叉索对索夹造成的不平衡力，三亚体育场创新应用了强模比远高于普通钢索的CFRP平行板索，以新材料、新构件解决了结构问题，这也是CFRP板索在大跨体育场实际工程中的首次大规模应用。

此外，2022年，中建八局联合中国建筑设计研究院，在厦门新体育中心白鹭体育场（图12）的立面幕墙系统中应用了204条碳纤维板索，推动建成了我国首个应用CFRP张弦式幕墙结构的空间结构。在该应用中，为解决碳纤维板索在张弦式索结构中的弯折问题，研制了适用于大跨度、多折角碳纤维板索的可转动索夹，如图13所示。

为探索临海腐蚀环境下大跨空间结构的高耐久解决方案，2024年，中建八局联合中国建筑设计研究院成功将国产48K大丝束碳纤维拉杆应用于厦门翔安机场（图14）航站楼屋盖结构中，单根拉杆直径首次突破到20 mm，实现了杆体-锚具一体化防腐。该应用开辟了CFRP在建筑结构领域应用的新赛道。

与此同时，在一些常见的传统钢拉索应用场景中，也开始不断出现CFRP索制品的应用身影，如上海石化原丝运输栈桥（图15）、清华大学人行廊桥、苏州嘉盛中心项目咖啡厅、上海美的全球创新园区（图16）等，充分体现了碳纤维在我国土木工程领域的蓬勃发展。

除上述应用外，自2020年以来，中建八局充分利用自身的技术和工程载体优势，不断拓宽CFRP在土木工程领域的新应用场景，打造了一批具有里程碑意义的行业标杆工程。2022年，中建八局将碳纤维预应力锚索应用于西南某铁路工程（图17）中，充分发挥了CFRP轻质高强的特征，缓解了现场工人的劳动强度，在实现国产碳纤维第一次在高海拔地区应用的同时完成了国产碳纤维应用于边坡工程“零的突破”。2023年，中建八局成功将百米级国产大丝束碳纤维索应用于长深高速公路连云港至淮安段扩建工程的气膜结构砂石料场（图18）中。该气膜结构应用了我国土木工程领域迄今最长碳纤维索（91.728m），配套研发了长尺寸的气膜结构用碳纤维索及配套索夹，解决了碳纤维索横向夹持以及长索的运输和施工问题。该项目的应用表明，在气膜结构中应用CFRP索可大幅度减小索网自重（70%），有助于提高气承式膜结构的跨越能力。

表2汇总了目前我国碳纤维复合材料索制品在新建结构中的应用情况。从表中可以看出，随着相关研究和施工技术的进一步发展，CFRP凭借其优异的性能，已经在我国土木工程的各个不同方向得到广泛且多样化的应用。尤其自2020年以来，CFRP索制品在土木工程领域中的应用以惊人的速度发展，越来越多的结构开始采用这一高性能材料，为未来建设超大跨、超大型结构奠定了技术基础。

4 结 语

随着国家经济水平的进一步提升，一些重大土木工程项目要求的服役周期变长（如50～100年的服役期），需要考虑的作用复杂（如风、地震、腐蚀等同时考虑），尺度较大，对建筑材料提出了新要求。CFRP凭借其优异的性能，为土木工程发展的新挑战提供了解决方案。

虽然目前CFRP在土木工程的不同场景中得到了应用，但是为进一步促进其发展，还需立足于CFRP的实际应用场景，围绕CFRP的防火耐高温性能，以及包括疲劳性能、应力松弛性能、蠕变和徐变断裂性能在内的长期力学性能开展更加全面的研究，同时仍需持续开发先进可靠的粘结及锚固技术，保证CFRP在土木工程中的可靠应用。

近些年来，针对CFRP在土木工程中的应用，尤其是CFRP索在新建结构中的应用，我国取得了系列突破性创新示范，不仅提振了行业发展信心，也为未来超大跨、超大型建筑的发展提供了新的解决方案。

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基金资助

中建股份科技研发计划(CSCEC-2022-Z-8)

上海市住建委科研计划项目(沪建科2021-002-024)

上海市青年科技英才扬帆计划项目(21YF1452400)

上海市青年科技英才扬帆计划项目(23YF1452200)