摘要

在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，索結(jié)構(gòu)的發(fā)展對拉索性能提出了更高要求。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）拉索憑借輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞等特性，成為替代鋼拉索、提升索結(jié)構(gòu)性能的理想選擇。然而，其各向異性導(dǎo)致的錨固難題，嚴(yán)重制約了在實(shí)際工程中的大規(guī)模應(yīng)用。本文系統(tǒng)梳理了 CFRP 拉索錨固體系的研究成果，介紹了平行棒索、絞線索、平行板索和拉桿索四種拉索形式及其工程應(yīng)用，深入分析了不同類型拉索錨固體系的構(gòu)造、原理、優(yōu)缺點(diǎn)，并歸納了性能提升方法。研究表明，基于摩擦 - 黏結(jié)耦合作用力的錨具更適用于大噸位 CFRP 拉索錨固；針對不同類型錨具，可通過多種方式改善應(yīng)力集中等問題，提高錨固效率。

關(guān)鍵詞：CFRP 拉索；錨固體系；研究進(jìn)展；錨固效率；應(yīng)力集中

一、引言

隨著建筑行業(yè)對大跨度、長壽命、輕量化結(jié)構(gòu)需求的不斷增長，索結(jié)構(gòu)因其在實(shí)現(xiàn)大跨度方面的潛力而備受關(guān)注。傳統(tǒng)鋼拉索因自重較大、易銹蝕、疲勞性能不佳等問題，限制了索結(jié)構(gòu)的跨度和使用壽命。CFRP 拉索具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞、低溫度形變等顯著優(yōu)勢，用其替代鋼拉索，不僅能降低垂度效應(yīng)、提升跨越能力和施工便利性，還能解決鋼拉索的腐蝕疲勞問題，延長結(jié)構(gòu)服役壽命，降低全壽命周期運(yùn)營維護(hù)成本。

但 CFRP 拉索在實(shí)際應(yīng)用中面臨兩大障礙。其一，初始建造成本較高，不過隨著國產(chǎn)大絲束碳纖維的推廣，成本問題得到緩解，經(jīng)濟(jì)性已不再是主要制約因素。其二，CFRP 材料的各向異性特性突出，橫向抗壓和抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度，按傳統(tǒng)鋼拉索錨固構(gòu)造，易在錨具加載端發(fā)生受壓、受剪失效。因此，研發(fā)高效、大噸位的錨固體系成為推動(dòng) CFRP 拉索工程應(yīng)用的關(guān)鍵。本文旨在全面回顧 CFRP 拉索錨固體系研究現(xiàn)狀，梳理錨固構(gòu)造與原理，分析優(yōu)缺點(diǎn)，歸納性能提升方法，為其進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

二、CFRP 拉索形式及工程應(yīng)用

（一）拉索形式

依據(jù)國標(biāo) GB/T 35156 - 2017，CFRP 拉索按索體形式可分為平行棒索、絞線索、平行板索和拉桿索。平行棒索和絞線索是對鋼拉索的模擬，結(jié)構(gòu)形式相對簡單；平行板索由不同層數(shù)的 CFRP 板在錨具內(nèi)通過夾片間隔疊合錨固；拉桿索則是將很薄的 CFRP 預(yù)浸料纏繞后，通過熔融熱塑性基體形成封閉環(huán)，連接方便。

圖1 碳纖維拉索類型

（二）拉索實(shí)際工程應(yīng)用

自 1987 年 CFRP 斜拉橋構(gòu)想提出以來，隨著技術(shù)發(fā)展，CFRP 拉索在國內(nèi)外工程中的應(yīng)用日益廣泛。早期主要應(yīng)用于斜拉橋、拱橋和懸索橋的部分拉索，如今已拓展到空間結(jié)構(gòu)、邊坡錨索、懸臂結(jié)構(gòu)、橋梁溫度自適應(yīng)索以及膜結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。應(yīng)用規(guī)模從小規(guī)模部分取代鋼索發(fā)展到大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用噸位也從早期小噸位逐步提升至千噸級。部分項(xiàng)目采用國產(chǎn) 48K 大絲束碳纖維制備 CFRP 拉索，降低了成本，為產(chǎn)化和規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖2 典型的拉索結(jié)構(gòu)

三、各類拉索錨固體系研究

（一）棒材型拉索錨固體系

1、黏結(jié)式錨具

?錨具類型：由套筒和黏結(jié)劑組成，分為直筒黏結(jié)式和內(nèi)錐黏結(jié)式。直筒黏結(jié)式錨具錨固力主要取決于黏結(jié)力，適用于小直徑 CFRP 拉索；內(nèi)錐黏結(jié)式錨具在拉伸荷載下，拉索與黏結(jié)劑滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生界面摩擦力，可錨固大噸位拉索，但會(huì)造成錨具加載端壓應(yīng)力集中。

圖3 黏結(jié)式錨具

?錨具改進(jìn)方法：通過采用活性粉末混凝土、改性環(huán)氧樹脂等新型黏結(jié)劑，優(yōu)化套筒內(nèi)壁形狀（如直筒與內(nèi)錐組合、直筒 - 圓弧 - 內(nèi)錐組合等），使用變剛度黏結(jié)劑，調(diào)整棒材排列形式（如彎折式錨固體系）等方式，改善錨具承載力和耐久性，提高錨固效率。

2、機(jī)械式錨具

?錨具類型：通過對棒材施加徑向壓力，依靠界面摩擦平衡拉力，包括夾片式、擠壓式、夾持式和錐塞式等。

圖4 機(jī)械式錨具

?錨具改進(jìn)方法：為解決加載端應(yīng)力集中、夾片跟進(jìn)不齊和銹蝕等問題，采取設(shè)置微角度差、涂覆金屬軟管、采用一體式夾片、優(yōu)化夾片外形輪廓、增大楔形夾片錐角、更換錨環(huán)和夾片材質(zhì)等措施，減緩應(yīng)力集中，提高夾片整體性和錨具耐久性。

3、復(fù)合式錨具

?串聯(lián)式錨具：加載端為黏結(jié)段，自由端為機(jī)械夾持段，可減小加載端應(yīng)力集中，但存在黏結(jié)段與夾持段協(xié)同受力性能差的問題。

圖5 串聯(lián)式錨具

?并聯(lián)式錨具：以黏結(jié)部分為內(nèi)芯，外部設(shè)置楔形夾持部分，能避免橫向壓應(yīng)力集中，優(yōu)化錨環(huán)錐角和夾片與錨環(huán)角度差可提高錨固性能。

圖6 并聯(lián)式錨具

（二）板索錨固體系研究

1.錨具類型：包括黏結(jié)式、夾片式和機(jī)械夾持式。黏結(jié)式錨具穩(wěn)定性好，但承載力低、黏結(jié)劑性能不佳；夾片式錨具錨固長度短，但不適用于多層 CFRP 板索；夾持式錨具可錨固多層板索，其中波形夾持式錨具利用 “波形效應(yīng)” 增大錨固力，但存在加載端應(yīng)力集中問題。

2.錨具改進(jìn)方法：通過設(shè)置微角度差、對夾片或墊塊切角、采用變剛度夾片、改變夾片外形輪廓和波形曲線曲率等措施，減緩加載端應(yīng)力集中，改善 CFRP 板沿寬度方向受壓不均勻的問題。

（三）絞線型拉索錨固體系

1.錨具類型：主要為黏結(jié)式錨具，可采用直筒黏結(jié)式先錨固單根絞線，再集成；也可用內(nèi)錐黏結(jié)式直接錨固多根絞線。

2.錨具改進(jìn)方法：研究不同黏結(jié)介質(zhì)對錨固性能的影響，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧砂漿錨固性能最優(yōu)；采用分散錨固和分散再合并錨固方式，可增加絞線與黏結(jié)介質(zhì)的接觸面積，提高錨固效率。

（四）拉桿索錨固體系研究

1.錨具類型：根據(jù)索體固化黏結(jié)情況分為層合式和非層合式。層合式拉索拉力由帶材之間的黏結(jié)力平衡；非層合式拉索通過各層帶材相對滑移產(chǎn)生摩擦力提供錨固力，且能減小錨環(huán)過渡區(qū)應(yīng)力集中。拉桿索還可應(yīng)用于地錨索。

2.錨具改進(jìn)方法：針對錨固區(qū)應(yīng)力集中問題，通過改變拉索成型方式（如采用吊索錨的“U 形” 纏繞）、對錨固區(qū)進(jìn)行局部加強(qiáng)（如增設(shè)加強(qiáng)層）等措施，減小拉伸 - 彎曲耦合作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力，提高錨固效率。

四、結(jié)論及發(fā)展趨勢

（一）結(jié)論

1.基于單一黏結(jié)力或摩擦力的錨具適用于小噸位 CFRP 拉索，基于摩擦 - 黏結(jié)耦合作用力的錨具可錨固大噸位拉索，可通過多種方式形成這種耦合錨固力。

2.內(nèi)錐黏結(jié)式錨具可錨固大噸位棒材 / 絞線索，可通過增大接觸面積、采用改性黏結(jié)劑等提高錨固效率；機(jī)械式錨具需減緩加載端應(yīng)力集中、均勻擴(kuò)散壓應(yīng)力；復(fù)合式錨具協(xié)同受力性能與機(jī)理有待深入研究。

3.現(xiàn)有板索錨固體系多適用于單層 CFRP 板，波形夾持式錨具雖可錨固多層板索，但需調(diào)控波形曲線曲率以避免失效。

4.拉桿索便于形成自錨一體式拉索，但錨環(huán)過渡區(qū)存在應(yīng)力集中，增大錨固區(qū)拉索橫截面面積可有效減緩。

（二）發(fā)展趨勢

1.通過樹脂改性等手段提升 CFRP 拉索橫向抗壓、抗剪及層間剪切強(qiáng)度，簡化錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.深化錨固機(jī)理研究，量化附加錨固力，解析摩擦 - 黏結(jié)耦合作用機(jī)制，革新錨固結(jié)構(gòu)。

3.開發(fā)先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測錨固區(qū)拉索受力狀態(tài)，優(yōu)化錨具構(gòu)造設(shè)計(jì)。

4.系統(tǒng)研究錨固體系抗疲勞、耐高溫、蠕變及應(yīng)力松弛性能，明確性能退化機(jī)制，構(gòu)建評價(jià)方法，提出耐久性提升策略。

參考文獻(xiàn)：

[1]朵永玉,岳清瑞,劉曉剛.碳纖維復(fù)合材料拉索的錨固體系研究進(jìn)展[J/OL].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1-16[2025-05-07].https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2024.0607.