近年来，新材料一直是桥梁创新的重点。在德国斯图加特近郊的A8高速公路上，新建了一座供轻轨通行的系杆拱桥——施塔特伯恩CFRP吊杆拱桥，采用的是日本帝人公司（Teijin）生产的碳纤维TenaxTM增强复合材料（CFRP），是世界上第一座所用缆索均采用CFRP的桥梁。拱桥上部结构全长130m，主跨80m，拱高8.5m，两拱肋间距最窄处8.5m，最宽处达11.7m，桥梁总占地面积1,424㎡。与传统桥梁相比，CFRP系杆拱桥是一种极具创新性和高效的结构体系。这种结构体系不仅体现了裸露结构的独特设计美感和结构力学性能，更兼具耐久性、安全性和可持续性，同时还减少了施工对交通的中断，降低了成本。

日本帝人公司成立于1918年，是日本第一家人造丝制造商，目前公司业务范围主要涵盖了三个核心领域：高性能材料（包括芳纶、碳纤维和复合材料，以及树脂和塑料加工、薄膜、聚酯纤维和产品加工）、医疗保健（包括用于骨骼/关节、呼吸系统疾病和心血管/代谢疾病的药物和家庭医疗保健设备，护理和症状前医疗保健）以及IT（包括用于医疗、企业和公共系统的B2B解决方案，以及用于数字娱乐的打包软件和B2C在线服务）。施塔特伯恩CFRP吊杆拱桥的72根CFRP制电缆使用了帝人公司碳纤维TenaxTM，与钢制缆索相比，截面面积仅为1/4却具有同等强度，实现了低成本化，通过使用强度高的CFRP缆索，无支柱横跨在8车道的高速公路上方。在安装结构时，CFRP吊杆几乎没有受到任何环境的影响。由于吊杆的重量很轻，所以不需要起重设备，一两个工人就可以很容易地用手将吊杆搬运到现场。与钢吊杆相比，不需要焊接。吊杆仅用螺栓固定即可。在使用阶段CFRP可以发挥极好的耐腐蚀性和抗疲劳性能。与使用钢制电缆相比，CO2排放量仅为1/3，能源消耗量仅为1/2。

瑞士联邦材料科学与技术实验室EMPA的研究人员曾在20世纪80年代开始推广CFRP，将其作为在极端载荷和恶劣环境条件下应用于桥梁建设的最合适的拉杆构件。20多年来，桥梁上应用的CFRP拉杆被证明可以在高达1,800MPa的持续受力下保持可靠性。目前，在桥梁工程中，CFRP拉杆尚未推广应用的主要原因是其初始成本较高。例如，如果在苏格兰新建的昆斯费里大桥使用CFRP而不是钢构件，项目总成本将增加约20%。但是如果考虑到100年的桥梁使用寿命，带有CFRP拉杆的桥梁的维护费用会更低。

其实在德国，CFRP吊杆并不是桥梁工程中应用的最先进技术。因为申请新技术的应用案例需要耗费大量的时间和金钱，流程审批周期长。在这座轻轨桥案例中，2016年开始建设前，既没有充足的时间，也没有足够的资金，唯一可行的解决方案是申请“单一案例批准（ZiE）”。斯图加特城市公共交通运营商（SSB）要求EMPA的研究人员进行必要的试验，模拟在100年使用寿命期间列车运行时的桥梁状况并提供相应的专家评估报告。

在全世界近一个世纪以来的研究与探索中，当前钢结构和混凝土结构的设计方法已经达到了非常高的水平。然而，CFRP从1991年才开始应用在工程结构中，因此设计方法还没有钢和混凝土结构那样成熟，需要借助全尺寸试验为有限元模型的校准和分析计算提供依据。研究人员设计了3组CFRP吊杆试验，用来模拟在100年的使用寿命中火车运行对吊杆产生的疲劳效应。之后，又对CFRP吊杆在准静态加载下的荷载/伸长率做了分析，CFRP吊杆在整个载荷范围内表现出几乎完美的线性弹性行为。在卸载过程中产生了一个非常窄的滞回，没有永久性变形。CFRP吊杆A和B在1,130万次载荷循环前后的加载和卸载荷载/伸长曲线是一致的。疲劳试验对CFRP吊杆的刚度影响非常小。最后，对所有3个吊杆（A、B和C）的极限载荷又进行了预估。结果显示，即使是这种小基数的试验，也相当清楚地表明了列车运行百年对疲劳的影响还是相当明显的，根据有限元计算确定了未损伤的CFRP吊杆的极限荷载为1,800kN。与不进行循环预加载的吊杆极限载荷的95%分位数的下限相比，在极限状态（ULS）下，抗力方面的部分安全系数为1.72，与循环加载后吊杆的剩余强度相对于极限状态下的吊杆设计荷载相比，抗力方面的部分安全系数为1.5。

在讨论CFRP吊杆的防火性能时，有人认为在高速公路上发生油罐车事故时，网状系杆拱桥的预应力混凝土板会保护吊杆不受火灾影响。在科学文献中，没有介绍CFRP材料防火性能的相关文章。然而，EMPA给出的报告进行了钢筋混凝土梁的防火性能测试，其中涉及CFRP材料，可以类比到CFRP吊杆。

测试中采用了宽度为74mm、厚度为1mm的CFRP层压板，对两根宽400mm、深300mm的钢筋混凝土梁进行了加固。在5.2m的跨度上以4点弯曲的方式加载了容许载荷。CFRP层压板必须承受符合ISO 834标准的火灾温度。10min后，温度达到660℃，CFRP层压板的部分表面发生短时间内着火。当黏结接头处的平均温度达到200℃时，与混凝土的黏结开始失效。然而，CFRP层压板继续发挥着预应力锚的作用，因为黏结剂在支撑区域仍起作用。层压板的长度为20cm，由岩棉保护，以防止支撑处的热损失。20min后，在765℃的温度下，层压板的表面完全着火，个别纤维垂下并燃烧起来。燃烧表面的碳化过程在层压板的厚度上逐级进行。由于碳纤维在剩余的横截面上几乎没有强度和刚度的损失，CFRP层压板继续作为预应力工作。在约865℃的温度下工作45min后，由于CFRP筋的“锚定”失效了，剩余的CFRP层压板开始松动，但剩余的承载横截面积仍然在50%左右。通过上述1mm厚的CFRP层压板的行为改变，可以得出以下结论：CFRP吊杆上的环部是很关键的，假设8.5mm厚的环形层压板在860℃左右的温度下，燃烧45min，横截面将损失1mm宽和1mm厚。但仍有85%左右的横截面不会出现损伤。这意味着吊杆在45min内发生故障的可能性不大。

在20世纪90年代，对于反对CFRP首次应用在桥梁建设中的人们来说，CFRP杆易被破坏是一个非常重要的理由。出于这个原因，EMPA的研究人员在实验室里模拟了CFRP吊杆的破坏行为。试验表明：要造成真正的损伤是非常困难的。

在斯图加特城市铁路桥的案例中，主管部门并没有要求对CFRP吊杆进行全生命周期评估（LCA）。但是在130m跨度的奥得河铁路桥上，不管是采用CFRP吊杆，还是钢吊杆，必须进行全生命周期评估。对CFRP来说，生产碳纤维所需的相对较高的能源消耗尤其重要。1h内的生产温度在1,500℃左右。基本原料是一种油基聚丙烯腈聚合物纤维。

根据EN15978规范，LCA分析的系统边界包括材料生产阶段（模块Al～A3）、施工阶段（模块A4～A5）、使用阶段（模块B1～B7）、报废阶段（模块C1～C4）和模块D，其中模块D分配了由于材料的循环、回收或再利用带来的效益和负荷。在该标准中只有Al～A3模块是强制性的。此外，模块D被认为超出了LCA的系统边界，即使对结构进行了完整的生命周期分析，其使用也是可选的。吊杆的CFRP和钛合金部件的生命周期清单（LCI）数据的测定是相对精确的，所设想的过程是明确的。确定钢材的LCI数据比较困难，因为在这种情况下能源组合和生产过程都没有被明确定义。因此，只能采用标准的经验值。然而，这些不确定性并没有从根本上影响结果。对于Al～A3的生产阶段，钢材的CO2排放量约为CFRP解决方案的3倍，而钢的能源消耗是其两倍以上。

在安装结构时（A4～A5阶段），CFRP吊杆几乎没有受到任何环境的影响。如前所述，由于吊杆的重量很轻，所以不需要起重设备，一两个工人就可以很容易地用手将吊杆搬运到现场。与钢吊杆相比，它不需要焊接，仅用螺栓固定即可。在使用阶段（B1～B7），CFRP可以发挥极好的耐腐蚀性和抗疲劳性能。如果废弃阶段（C1～C4）在100年后或更早发生，那时已不再需要桥梁，CFRP吊杆还可以继续用作起重机结构中的拉伸部件。到目前为止，CFRP已经可以被粉碎并添加到沥青中，作为重载公路路面的加固材料。5年来，英国一直有公司从CFRP中回收纤维并将其重新用于要求不高的结构工程中。

在斯图加特的网状斜吊杆系杆拱桥案例中，CFRP吊杆首次在基于初始成本的竞争中战胜了钢材。CFRP与这种类型的桥梁所需的特定材料特性最为匹配。这使得未来网状斜吊杆系杆拱桥的经济跨度大大扩展到300m以上。这是第一座完全依靠CFRP吊杆的大型桥梁，将为CFRP在后续结构上的应用获得更多和更广泛的认可。