碳纤维复合材料拉索的锚固体系研究进展

摘要

在现代建筑结构领域，索结构的发展对拉索性能提出了更高要求。碳纤维增强复合材料（CFRP）拉索凭借轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等特性，成为替代钢拉索、提升索结构性能的理想选择。然而，其各向异性导致的锚固难题，严重制约了在实际工程中的大规模应用。本文系统梳理了 CFRP 拉索锚固体系的研究成果，介绍了平行棒索、绞线索、平行板索和拉杆索四种拉索形式及其工程应用，深入分析了不同类型拉索锚固体系的构造、原理、优缺点，并归纳了性能提升方法。研究表明，基于摩擦 - 黏结耦合作用力的锚具更适用于大吨位 CFRP 拉索锚固；针对不同类型锚具，可通过多种方式改善应力集中等问题，提高锚固效率。

关键词：CFRP 拉索；锚固体系；研究进展；锚固效率；应力集中

一、引言

随着建筑行业对大跨度、长寿命、轻量化结构需求的不断增长，索结构因其在实现大跨度方面的潜力而备受关注。传统钢拉索因自重较大、易锈蚀、疲劳性能不佳等问题，限制了索结构的跨度和使用寿命。CFRP 拉索具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、低温度形变等显著优势，用其替代钢拉索，不仅能降低垂度效应、提升跨越能力和施工便利性，还能解决钢拉索的腐蚀疲劳问题，延长结构服役寿命，降低全寿命周期运营维护成本。

但 CFRP 拉索在实际应用中面临两大障碍。其一，初始建造成本较高，不过随着国产大丝束碳纤维的推广，成本问题得到缓解，经济性已不再是主要制约因素。其二，CFRP 材料的各向异性特性突出，横向抗压和抗剪强度远低于抗拉强度，按传统钢拉索锚固构造，易在锚具加载端发生受压、受剪失效。因此，研发高效、大吨位的锚固体系成为推动 CFRP 拉索工程应用的关键。本文旨在全面回顾 CFRP 拉索锚固体系研究现状，梳理锚固构造与原理，分析优缺点，归纳性能提升方法，为其进一步发展提供参考。

二、CFRP 拉索形式及工程应用

（一）拉索形式

依据国标 GB/T 35156 - 2017，CFRP 拉索按索体形式可分为平行棒索、绞线索、平行板索和拉杆索。平行棒索和绞线索是对钢拉索的模拟，结构形式相对简单；平行板索由不同层数的 CFRP 板在锚具内通过夹片间隔叠合锚固；拉杆索则是将很薄的 CFRP 预浸料缠绕后，通过熔融热塑性基体形成封闭环，连接方便。

图1 碳纤维拉索类型

（二）拉索实际工程应用

自 1987 年 CFRP 斜拉桥构想提出以来，随着技术发展，CFRP 拉索在国内外工程中的应用日益广泛。早期主要应用于斜拉桥、拱桥和悬索桥的部分拉索，如今已拓展到空间结构、边坡锚索、悬臂结构、桥梁温度自适应索以及膜结构等领域。应用规模从小规模部分取代钢索发展到大规模应用，应用吨位也从早期小吨位逐步提升至千吨级。部分项目采用国产 48K 大丝束碳纤维制备 CFRP 拉索，降低了成本，为产化和规模化应用奠定了基础。

图2 典型的拉索结构

三、各类拉索锚固体系研究

（一）棒材型拉索锚固体系

1、黏结式锚具

◦锚具类型：由套筒和黏结剂组成，分为直筒黏结式和内锥黏结式。直筒黏结式锚具锚固力主要取决于黏结力，适用于小直径 CFRP 拉索；内锥黏结式锚具在拉伸荷载下，拉索与黏结剂滑动时产生界面摩擦力，可锚固大吨位拉索，但会造成锚具加载端压应力集中。

图3 黏结式锚具

◦锚具改进方法：通过采用活性粉末混凝土、改性环氧树脂等新型黏结剂，优化套筒内壁形状（如直筒与内锥组合、直筒 - 圆弧 - 内锥组合等），使用变刚度黏结剂，调整棒材排列形式（如弯折式锚固体系）等方式，改善锚具承载力和耐久性，提高锚固效率。

2、机械式锚具

◦锚具类型：通过对棒材施加径向压力，依靠界面摩擦平衡拉力，包括夹片式、挤压式、夹持式和锥塞式等。

图4 机械式锚具

◦锚具改进方法：为解决加载端应力集中、夹片跟进不齐和锈蚀等问题，采取设置微角度差、涂覆金属软管、采用一体式夹片、优化夹片外形轮廓、增大楔形夹片锥角、更换锚环和夹片材质等措施，减缓应力集中，提高夹片整体性和锚具耐久性。

3、复合式锚具

◦串联式锚具：加载端为黏结段，自由端为机械夹持段，可减小加载端应力集中，但存在黏结段与夹持段协同受力性能差的问题。

图5 串联式锚具

◦并联式锚具：以黏结部分为内芯，外部设置楔形夹持部分，能避免横向压应力集中，优化锚环锥角和夹片与锚环角度差可提高锚固性能。

图6 并联式锚具

（二）板索锚固体系研究

1.锚具类型：包括黏结式、夹片式和机械夹持式。黏结式锚具稳定性好，但承载力低、黏结剂性能不佳；夹片式锚具锚固长度短，但不适用于多层 CFRP 板索；夹持式锚具可锚固多层板索，其中波形夹持式锚具利用 “波形效应” 增大锚固力，但存在加载端应力集中问题。

2.锚具改进方法：通过设置微角度差、对夹片或垫块切角、采用变刚度夹片、改变夹片外形轮廓和波形曲线曲率等措施，减缓加载端应力集中，改善 CFRP 板沿宽度方向受压不均匀的问题。

（三）绞线型拉索锚固体系

1.锚具类型：主要为黏结式锚具，可采用直筒黏结式先锚固单根绞线，再集成；也可用内锥黏结式直接锚固多根绞线。

2.锚具改进方法：研究不同黏结介质对锚固性能的影响，发现环氧砂浆锚固性能最优；采用分散锚固和分散再合并锚固方式，可增加绞线与黏结介质的接触面积，提高锚固效率。

（四）拉杆索锚固体系研究

1.锚具类型：根据索体固化黏结情况分为层合式和非层合式。层合式拉索拉力由带材之间的黏结力平衡；非层合式拉索通过各层带材相对滑移产生摩擦力提供锚固力，且能减小锚环过渡区应力集中。拉杆索还可应用于地锚索。

2.锚具改进方法：针对锚固区应力集中问题，通过改变拉索成型方式（如采用吊索锚的“U 形” 缠绕）、对锚固区进行局部加强（如增设加强层）等措施，减小拉伸 - 弯曲耦合作用产生的拉应力，提高锚固效率。

四、结论及发展趋势

（一）结论

1.基于单一黏结力或摩擦力的锚具适用于小吨位 CFRP 拉索，基于摩擦 - 黏结耦合作用力的锚具可锚固大吨位拉索，可通过多种方式形成这种耦合锚固力。

2.内锥黏结式锚具可锚固大吨位棒材 / 绞线索，可通过增大接触面积、采用改性黏结剂等提高锚固效率；机械式锚具需减缓加载端应力集中、均匀扩散压应力；复合式锚具协同受力性能与机理有待深入研究。

3.现有板索锚固体系多适用于单层 CFRP 板，波形夹持式锚具虽可锚固多层板索，但需调控波形曲线曲率以避免失效。

4.拉杆索便于形成自锚一体式拉索，但锚环过渡区存在应力集中，增大锚固区拉索横截面面积可有效减缓。

（二）发展趋势

1.通过树脂改性等手段提升 CFRP 拉索横向抗压、抗剪及层间剪切强度，简化锚固结构设计。

2.深化锚固机理研究，量化附加锚固力，解析摩擦 - 黏结耦合作用机制，革新锚固结构。

3.开发先进监测技术，监测锚固区拉索受力状态，优化锚具构造设计。

4.系统研究锚固体系抗疲劳、耐高温、蠕变及应力松弛性能，明确性能退化机制，构建评价方法，提出耐久性提升策略。

参考文献：

[1]朵永玉,岳清瑞,刘晓刚.碳纤维复合材料拉索的锚固体系研究进展[J/OL].建筑结构学报,1-16[2025-05-07].https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2024.0607.