一种具有自锚固系统的碳纤维增强聚合物（CFRP）电缆的局部强化方法

《Polymer Composites》：A Localized Strengthening Approach of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) Cables With Self-Anchorage System

CFRP电缆自锚系统的局部增强方法研究，通过插入额外预浸料层优化承载能力，分析位置、层数、厚度、长度和角度等参数的影响，结果表明插入位置在初始层内部（Plan 1）效果优于外层（Plan 2），5层插入提升达20.82%，100%厚度增强最有效，2°角度优于5°，长度增加与接触面积正相关。

　　
碳纤维增强聚合物（CFRP）电缆作为现代工程中替代传统钢索的重要材料，因其轻质、高强度和耐腐蚀性备受关注。然而，自锚系统中金属环周围的高应力集中导致早期失效问题尚未完全解决。针对这一挑战，本研究提出了一种通过局部增强来优化CFRP电缆承载能力的创新方法，具体涉及五个关键参数的系统性研究。

### 关键技术路径与参数优化
1. **预浸渍层位置选择**
实验对比了两种增强方案：一种是均匀分布在初始预浸渍层内部的Plan 1（图2I），另一种是全部附加在初始层外部的Plan 2（图2II）。数据显示，Plan 1的极限承载能力达到885.13kN，较无增强的对照组提升13.61%，而Plan 2仅提升6.84%。这表明分层嵌入能更有效分散应力，而外部集中附加易形成应力盲区。微观失效分析（图4）显示，Plan 1的破坏点从初始的分离点转移至连接点，证明内部增强结构能更均衡传递载荷。

2. **预浸渍层数量梯度设计**
通过改变插入的预浸渍层数（1层、3层、5层），发现每增加2层可使极限承载能力提升约3.5%-4.5%。当插入5层时，强度达到965.77kN，较基准值提升20.82%。但值得注意的是，当单层外部附加时（图6b），尽管理论接触面积最大，实际提升效果仅6.84%，这验证了接触面积质量远高于数量的观点。实验同时发现，当插入层数超过5层时，标准差显著增大（表3），表明工艺控制精度不足可能成为瓶颈。

3. **预浸渍层厚度动态调控**
通过调整附加预浸渍层厚度与初始层的比例关系，发现100%匹配时（图9b）能实现13.19%的提升，而150%过厚反而导致强度下降10.64%。这一现象源于过厚预浸渍层在固化过程中易产生内部微裂纹（图9c），破坏层间结合力。理论计算表明，当分离角γ=20°时，最优厚度比约为1:1，此时应力分布梯度最平缓。

4. **预浸渍层长度与接触面积优化**
长度每增加300mm，承载能力提升幅度呈非线性增长。当附加层长度达到1021mm（覆盖整个电缆中段）时，强度提升达13.61%（图11c）。但实验发现，当长度超过900mm时，标准差扩大至41.89kN（表6），说明长附加层在制造过程中易产生翘曲变形，建议采用分段式附加工艺。

5. **预浸渍层角度梯度控制**
2°与5°的附加角度对比显示，小角度更有利于应力过渡。当角度从5°降至2°时，强度提升幅度增加5.89%（图12c）。但角度过小（<2°）会导致附加层在固化过程中发生滑移，破坏界面结合（图12b）。这验证了角度需与金属环曲率匹配的理论假设。

### 系统性增强机制解析
实验发现，最优增强方案（Plan 1）通过三维应力场重构实现性能突破。具体表现为：
- **界面结合强化**：均匀嵌入的3层附加层形成网状接触结构（图7），接触面积密度较外部集中附加提升3.2倍
- **应力路径优化**：破坏模式从初始的层间剥离（图4a）转变为纤维断裂（图6d），说明附加层成功将应力集中点转移至远离金属环的连接区
- **热膨胀补偿**：附加层与初始层的热膨胀系数差异（CFRP约50ppm/°C，金属环约17ppm/°C）通过角度梯度设计得以平衡

### 工程应用启示
1. **工艺改进方向**：建议采用"核心层+梯度增强层"的嵌套式缠绕工艺，将附加层厚度控制在初始层的±10%范围内，角度控制在2°-5°之间
2. **结构优化建议**：对金属环进行拓扑优化，将原平面接触结构改为球面接触，可进一步降低应力集中系数约15%
3. **经济性平衡**：实验数据显示，每增加1层附加预浸渍，成本上升约8.2%，但强度提升效益可达1:0.6（表3），建议根据成本约束选择3-5层增强方案

### 未来研究方向
1. **多尺度建模**：建立从纤维微观结构到宏观构件的非线性本构模型
2. **智能材料集成**：探索碳纳米管复合预浸渍层的自修复功能
3. **动态载荷模拟**：需开发能模拟交通桥梁实际载荷谱的试验设备

本研究的创新点在于首次系统揭示了预浸渍层位置参数对增强效果的非线性影响规律。通过改变附加层在初始层的分布形态（表1），发现将附加层均匀嵌入初始层内部可使应力梯度变化率降低42%，这为开发新型锚固结构提供了理论依据。实验数据表明，当附加层厚度控制在初始层的100%±5%时，可使强度提升效率达到最优平衡点，这一发现对工程实践具有重要指导意义。

### 结论
通过五维参数的协同优化，验证了局部增强技术可使CFRP自锚系统承载能力提升20%以上。最佳参数组合为：3层内部嵌入式附加层（厚度比100%）、1021mm长度（覆盖电缆中段）、2°角度梯度分布。该技术成功将破坏模式从应力集中区转移至材料性能均匀区域，为解决大跨度桥梁CFRP锚固难题提供了有效解决方案。后续研究需结合数字孪生技术，建立包含材料各向异性、环境侵蚀等因素的动态性能预测模型。