纜繩結構用碳纖維復合材料：材料的發展與分類
纜繩結構是指將纜繩系統作為主要承載結構元素的結構，早期的人造纜繩結構采用天然植物纖維如藤蔓和爬山虎等，如今應用廣泛的是鋼索材料，但隨著具有輕質高強、耐腐蝕、耐疲勞等優異特性的碳纖維出現，使其成為具發展潛力的材料。
本公眾號將針對纜繩結構用碳纖維復合材料（CFRP）進行系列專題綜述，主要內容涉及纜繩概念及材料發展、CFRP纜繩主要形式、CFRP纜繩在橋梁結構中的應用實例并展示了設計草圖，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 纜繩材料的發展
纜繩結構可以簡單定義為將纜繩系統作為主要承載結構元素的結構，常見的鋼索、電纜等。人造纜繩結構的應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，除了陸地上纜繩結構外，纜繩在海上航行的帆船上已經使用了數前年。而如今纜繩所用的材料已經從古時候的天然植物纖維發展到今天的眾所周知的鍛鐵和高強度鋼（圖1）。
圖1 具有典型鋼索結構的希臘埃夫里波斯大橋
斜拉橋回顧纜繩結構的發展歷史，可以發現其材料的發展對結構發展有著重要的推動作用。這主要體現在兩個方面，即纜繩結構的跨度和結構形式。例如，高強度鋼索使大跨度纜索結構成為可能，如跨度超過1000米的現代懸索橋；它也使具有新形式的纜索結構的建造成為現實，如纜繩加工的屋頂等（圖2）。
圖2 鋼索材質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合材料。它具有強度高、重量輕、耐腐蝕、抗疲勞等一系列優異特性。因此，CFRP可以制成纜繩并替代傳統的鋼索，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 碳纖維與鋼結構材料性能對比
2 CFRP纜繩結構
自上世紀70年代碳纖維問世以來，CFRP目前已經在航空航天、國防工業等領域實現廣泛應用，早在1977年國外就已經提出將碳纖維用于纜繩結構，但由于高昂的成本阻止了碳纖維這種用途。
CFRP次正式在出現在建筑業中是在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用，而且在纜繩結構中也作為拉索使用。
在拉索結構中通常采用單向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，瑞士聯邦材料測試與研究機構EMPA的Urs Meier教授在該領域做了開拓性工作，1996年他在懸索橋中次使用了該技術，安裝了2條長度為35 m的CFRP纜繩（圖3）。
圖3 1996年條帶捆綁碳纖維纜繩的公路橋梁
根據不同的結構形式，現有的CFRP纜繩（拉索結構）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層壓成型工藝加工；b、條形環形式的CFRP纜繩，通過將連續的CFRP條帶纏繞在兩個插針上制成，條形環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。四種不同類型的CFRP繩索結構如圖4所示。
圖4 四種常見的CFRP纜繩結構
目前市場銷售的幾種CFRP纜繩產品結構形式、主要特征及力學性能等與鋼索結構對比如表2所示。在表2中的CFRP產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代纜索結構。
從表2可以看出，全鎖鋼絲繩結構強度為1.5 GPa要明顯低于其他形式的CFRP纜繩材料，雖然鋼索結構具有模量上的優勢，但是CFRP纜繩優勢還體現在，其體密度僅為鋼索密度的1/5左右。
表2 市售的幾種CFRP纜繩與鋼索結構對比
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，由于碳纖維具有優異的抗蠕變性能，CFRP纜繩的應力松弛很小，無需限制持續的拉伸應力。
