CFRP主纜和鋼主纜懸索橋的靜力性能對比

摘 要：CFRP是一種新型復合材料，與傳統材料相比，具有輕質高強，抗疲勞性能好，耐腐蝕性強的優點，當然也存在抗剪強度低，離散性大，造價高的缺點，因此在實際應用中還有很多亟待解決的問題，本文通過一座大跨度懸索橋的實例來對比鋼主纜懸索橋和采用CFRP作為主纜懸索橋的靜力性能，希望為以后CFRP材料在纜索系統中的應用提供一些參考。

關鍵詞：CFRP；懸索橋；主纜

CFRP是碳纖維增強聚合材料的簡稱，是一種新型復合材料，具有輕質高強的優點，此外，還有與鋼相近的彈性模量，良好的耐腐蝕性能和抗疲勞性能，是制作纜索系統的理想材料。隨著近年大跨度橋梁的不斷發展，CFRP筋的研究和應用也受到了越來越多廣泛的關注，但是CFRP材料在纜索工程中的實例并不多見，到目前為止還沒有采用CFRP筋做主纜的懸索橋被建成。本文基于一座單跨吊懸索橋方案來對比鋼主纜懸索橋和采用CFRP作為主纜的懸索橋的靜力性能。

1 橋梁概況

本文研究的懸索橋橋跨布置為658m+1688m+518m，矢跨比為1/9，主梁采用鋼箱梁，梁高均為3.5m，全寬41.7m，標準梁段長12.8m。主纜橫向間距37.1m，單根主纜由227股索股組成，從東錨碇到西錨碇為通長索股。采用MIDAS建立三維空間模型如下：

2 鋼主纜懸索橋和CFRP主纜懸索橋內力分析

分析兩個模型的計算結果，分別提取鋼主纜懸索橋和CFRP主纜懸索橋的結構內力如表1。

從表1可以看出，鋼主纜懸索橋的主纜自重內力占主纜恒載內力的很大一部分，主纜恒載內力是主纜活載內力的9.6倍，而CFRP主纜懸索橋的主纜自重內力只占主纜恒載內力的一小部分，約為9.7%，主纜恒載內力約為主纜活載內力的8.4倍。在空纜狀態下，CFRP主纜懸索橋、鋼主纜懸索橋的內力百分比為9.25%，在成橋狀態下，內力百分比為81.3%，在活載作用下，主纜內力百分比約為92.4%。

通過以上的數據分析可知，CFRP主纜懸索橋的空纜狀態內力、活載內力所占百分比要遠小于鋼主纜橋所占比例。如果用加勁梁、活載以及二期恒載引起的主纜內力總和占主纜總內力的比值作為評判材料利用率指標的話，顯然CFRP主纜的材料利用率要高于鋼主纜材料的利用率。通過對比大跨度懸索橋活載作用下加勁梁的彎矩也可知，CFRP主纜懸索橋的加勁梁彎矩較鋼主纜懸索橋大，這說明，懸索橋的主纜和加勁梁是按剛度來分配內力的，鋼主纜比CFRP主纜的剛度要大，因此當兩個模型采用相同的加勁梁結構時，鋼主纜懸索橋的加勁梁彎矩要比CFRP主纜懸索橋的加勁梁彎矩小。又因在活載作用下，CFRP主纜懸索橋橋塔處主纜的不平衡力較大，其塔底彎矩也相對較大。

圖2和圖3分別給出了CFRP主纜懸索橋和鋼主纜懸索橋的主纜空纜內力、成橋內力。

可以看出，在空纜狀態下，CFRP主纜懸索橋和鋼主纜懸索橋的軸力差別較大，在成橋狀態下，兩模型的軸力分布規律基本一致。綜上所述，大跨度懸索橋采用CFRP做主纜可提高材料的利用率，但CFRP主纜的重力剛度較低，導致在活載作用下，CFRP主纜懸索橋的加勁梁彎矩和塔底彎矩都要比鋼主纜懸索橋大。

3 鋼主纜懸索橋和CFRP主纜懸索橋位移分析

通過模型計算，得到活載作用下鋼主纜懸索橋和CFRP主纜懸索橋中主要構件位移，表2：

兩模型主纜和加勁梁在豎向活載作用下的豎向位移包絡圖如圖5、圖6：

由圖5、圖6可知，在活載作用下，兩個懸索橋模型的主纜豎向位移、加勁梁豎向位移的形狀很相似，說明其位移分布規律基本一致，但兩種主纜懸索橋的位移數值差別較大。

在活載作用下，CFRP主纜懸索橋的主纜最大豎向位移是鋼主纜懸索橋的1.25倍，加勁梁最大豎向位移是鋼主纜懸索橋的1.24倍，梁端轉角是鋼主纜懸索橋的1.21倍。故采用CFRP材料做主纜會降低懸索橋結構的豎向剛度，在相同的跨度下，按照合理原則設計的CFRP主纜懸索橋和鋼主纜懸索橋的主纜和加勁梁豎向位移差別較大，這是由于鋼材的密度為CFRP材料的5倍，而CFRP材料的強度卻為鋼材的1.5倍左右。因此，在兩種懸索橋模型中，CFRP主纜的重力剛度比鋼主纜小的多，在相同的活載作用下，CFRP主纜懸索橋的主纜和加勁梁位移較大。

4 結束語

從以上的對比分析可以看出，對于懸索橋而言，采用CFRP代替鋼材成為主纜和吊桿材料，可以使材料的性能優勢等到充分的發揮，通過兩種懸索橋模型的主纜和加勁梁內力及位移對比，可知CFRP的主纜材料利用率要高于鋼主纜懸索橋，但是CFRP主纜懸索橋的加勁梁和索塔彎矩較大，且這種復合材料成本較高，錨固也存在構造難點，相信只要攻克了這些問題，CFRP材料在以后的應用中將比傳統材料更占優勢。

參考文獻

[1]張元凱，肖汝誠.FRP材料在大跨度橋梁結構中的應用展望[J].公路交通科技，2004.

[2]鄭宏宇，梅葵花，呂志濤.CFRP纜索體系懸索橋的優勢及可行性研究[J].橋梁建設，2006.

作者簡介：田芳（1986-），女，湖北武漢人，助理工程師，碩士，主要從事橋梁設計。