0 引言

碳纤维增强复合材料(FRP)指通过一定的工艺成型技术将受力碳纤维与粘结树脂结合在一起形成一种高性能的复合材料，具有耐腐蚀性能好、弹性模量低、疲劳强度高、受拉区不易发生剪切破坏等优点^[1-3]。从20世纪开始，国内外等学者相继开展了以FRP筋作为预应力筋配置于混凝土构件中的研究应用^[4]，近年来，有多位国内学者对CFRP加固混凝土试验进行了研究分析，如杨则英^[5]、赵煜^[6]等开展了CFRP筋加固混凝土板试验，刘其伟^[7]等开展了CFRP加固钢筋混凝土梁裂缝试验。在CFRP预应力筋锚固系统研究方面，蒋田勇^[8]、方志^[9]、国外的Correia L^[10]等都对CFRP筋粘结式锚具进行了研究。在CFRP预应力筋混凝土试验研究方面，国内田启贤^[11]、曹国辉^[12]、臧华^[13]等和国外学者Tan K H^[14]都开展了室内试验；张建伟^[15]研究了预应力FRP在混凝土结构中的应用，王言磊^[16]研究了FRP-混凝土组合梁/板的应用，Kim Y J^[17]和Lou T^[18]研究了预应力FRP在混凝土结构中的应用；陈默^[19]、Zeying YANG^[20]、Au F T K^[21]和Barros JAO^[22]开展了预应力CFRP筋混凝土梁力学性能的有限元分析。研究表明，CFRP预应力筋可代替普通钢筋及预应力筋，提高构件在使用阶段的变形及开裂性能，但是将CFRP筋作为无粘结预应力筋应用于混凝土板，开展还较少，赵煜^[7]在前期工作中得出了以下结论：(1) 与普通钢筋混凝土板相比，相同配筋率下，非预应力CFRP筋混凝土板开裂荷载相同，极限荷载稍低，位移较小；(2) 预应力CFRP筋混凝土板结构较非预应力CFRP筋混凝土板结构挠度大幅减小，裂缝出现时机推迟，刚度大大提高，CFRP筋高强抗拉性能得到了更加有效的利用；(3) 随着张拉控制应力的增加，预应力CFRP筋板结构的性能得到一定的增强，开裂荷载、极限荷载相应增大，开裂位移与极限位移相应减小。在此研究的基础上开展室内试验，对无粘结部分预应力CFRP板的受力性能和破坏形态进行了研究。

1 静载试验 1.1 试验方案设计

本试验旨在研究CFRP筋作为无粘结预应力筋应用于混凝土板时混凝土构件的抗弯性能，包括开裂荷载、极限荷载、挠度及裂缝开展等。试验中板按单向板设计，截面形式取最为常见的实心矩形截面，截面尺寸为600 mm×140 mm，板长1 500 mm，混凝土强度等级设计为C40，板保护层厚30 mm，配筋方案采用上下两层钢筋网的形式，预应力CFRP筋采用直线布筋，预留孔道通过预埋内径20 mm PVC管实现，普通钢筋为HRB335钢筋。表 1、表 2为试验用材料的各项参数，图 1为试件的横断面尺寸及配筋示意图。

1.2 混凝土构件预制

主要完成的工作：模板制作→粘贴筋材应变片→绑扎钢筋及CFRP筋，预埋PVC管→组装钢模板，放置钢筋网→拌和、浇注混凝土→混凝土构件养护。

1.3 材料力学性能试验 1.3.1 混凝土立方体试块标准受压试验

C40混凝土立方体标准受压试验是在山东大学结构实验室进行的，试验情况见图 2，混凝土试块的抗压强度见表 3。

实测混凝土立方体抗压强度为44.2 MPa，弹性模量取32.5 GPa。

1.3.2 CFRP筋力学性能试验

CFRP筋力学性能试验主要测试的性能指标包括极限抗拉强度和弹性模量。拉伸过程中CFRP筋的应力-应变曲线如图 3所示，极限抗拉强度、弹性模量见表 4，由试验结果可知：国产7 mmCFRP筋的极限抗拉强度平均值为1 803 MPa，弹性模量平均值为150.1 GPa。

1.3.3 普通钢筋的力学性能指标

试验中所用的普通钢筋力学性能的相关指标见表 5。

1.4 预应力CFRP筋的张拉

锚固系统采用自主设计制作的夹片粘结型锚具，张拉设备为内自锁穿心式千斤顶及配套的手摇油泵，采取一端张拉、分两级对称张拉的方法，控制预张拉力为40 kN。同时在张拉过程中，用百分表测量跨中截面反拱值，张拉过程见图 4。CFRP筋张拉完成后，实测CFRP筋的有效张拉应力为884 MPa和878 MPa，构件反拱值为-0.206 mm。

1.5 测量方案

预应力CFRP筋混凝土板静载试验过程中需要量测的内容有：外荷载值、支座和跨中位移、混凝土应变、CFRP筋和钢筋应变、最大裂缝宽度。本试验中混凝土测点位置主要沿板跨中位置顶、顶面及侧面布置，在剪弯段跨中也布置少量测点。试件应变片测点布置见图 5。

1.6 预应力CFRP筋板静载试验

(1) 加载方案及试验设备

试件的加载方式采用三分点分级加载，荷载由千斤顶通过横梁传递到分配梁来实现，支座距离板端150 mm，分配梁之间距离为400 mm，加载示意图见图 6。

加载设备为山东大学实验室反力架和量程10 t的手摇千斤顶，应变监测采用江苏东华静态应变测试系统，裂缝开展情况利用XY-DS03B型智能读数仪读取。

(2) 加载试验过程：板试件及加载设备就位→测量设备安装和调试→预加载→正式加载。

2 试验结果及分析 2.1 混凝土应变数据及分析

图 5中试件顶、底面典型位置测点的应变如图 7所示，在前期荷载较小时，跨中顶、底面混凝土应变随荷载线性增加，此时的预应力CFRP筋板处于弹性受力阶段；当加载至44 kN时，跨中混凝土顶、底面应变同时出现突变，此后顶面混凝土应变变化趋势变陡，表明在40~44 kN时，预应力CFRP筋混凝土板出现裂缝，使底面混凝土应变测量失效；当加载至60 kN时，混凝土应变出现第二次突变，此后顶面应变迅速增加，原因是配置在拉区普通钢筋达到了屈服极限，板刚度变小，承受荷载能力下降。

2.2 跨中挠度分析

由图 8可看出，预应力CFRP筋混凝土板的荷载-挠度曲线大致可以看成由3条折线组成：在加载初期(40 kN之前)，随着荷载的增加，构件跨中挠度线性增大，表现出线弹性的受力状态；40~56 kN时，混凝土底面出现裂缝，混凝土拉区不再承拉，此时构件的受拉能力主要由拉区普通钢筋和预应力CFRP筋承担，构件刚度退化，承受变形的能力变差，荷载-挠度曲线的斜率也逐渐平缓；56 kN之后，构件挠度迅速增大，此时拉区普通钢筋已达到屈服极限，构件刚度急速减小，位移增长迅速，直至62 kN时，压区混凝土被压碎，构件失效。

2.3 裂缝发展分析

图 9为智能裂缝仪拍到的各级荷载下的裂缝放大图，图 10为最大裂缝宽度-荷载关系图，图 11为裂缝发展过程图。结合图 10、图 11可看到，最大裂缝宽度-荷载关系曲线大致由3条折线组成，裂缝在40 kN荷载级出现，出现位置为预应力CFRP筋板底面纯弯段，宽度0.1 mm，长度约30 mm；48 kN时裂缝宽度开展至1 mm左右，且此时裂缝条数增加至3条；此后裂缝开展速度加快，当荷载达到60 kN时，最大裂缝宽度达到6 mm，长度发展至距顶面40 mm处；最后加载到62 kN时板破坏，此时最大裂缝宽度达到9 mm，距板顶部仅20 mm左右。

2.4 失效模式

当加载到56 kN时，位移突然发展迅速，裂缝开展速度加快，62 kN时裂缝发展至顶面20 mm处，板顶部混凝土压碎，此时预应力CFRP筋应力水平较高但仍未达到承载能力极限，破坏为混凝土压碎破坏。

2.5 普通钢筋应变分析

图 12为两条拉区普通钢筋L7、L8加载过程中的应变-荷载曲线。由图 12可知，加载初期，拉区普通钢筋应变增长较慢，因为这一时期预应力板构件处于弹性工作阶段，拉区混凝土承受拉应力，钢筋与混凝土共同变形；在外荷载达到44 kN之后，拉区普通钢筋应变开始迅速增长，当荷载达到56 kN时，拉区钢筋应变值达到峰值，进入屈服阶段，此后拉区普通钢筋的应变不再增大，且有稍微减小趋势。对比挠度图可以发现，在拉区普通钢筋进入屈服期之后，构件的位移迅速增长，这也是由于此时屈服钢筋不再能抵抗增长的外荷载，而主要由弹性模量较小的CFRP筋承受，变形发展加快。

2.6 预应力CFRP筋应变分析

试验过程中，通过东华静态应变测试系统对CFRP筋进行应变监测，图 13为2条拉区预应力CFRP筋S1、S2加载过程中的应变-荷载曲线。由图 13可知，加载初期随着外荷载的增加，CFRP筋应变略有增长，但增速较慢，外荷载从0增加到40 kN过程中预应力CFRP筋应变从5 933 με左右增长到6 067 με左右，涨幅为134 με；而在开裂之后特别是外荷载增加到44 kN之后，CFRP筋应力增长较快，在构件破坏时，CFRP筋的应力约为7 667 με，未达到其名义屈服强度所对应的拉应变，但由于无粘结构件的特点和CFRP筋的低模量，使得变形发展较快，有效受压混凝土面积减小而被压碎。

2.7 平截面假定

通过混凝土侧面的应变片监测到各级荷载下板跨中截面沿板厚度方向应变变化规律，如图 14所示。由图 14分布规律可得出，CFRP板压区的跨中截面应变沿板厚度方向基本呈线性分布，且随着荷载增大，中和轴稍有上升，符合平截面假定，而拉区由于无粘结CFRP筋变形与混凝土不同步，随着荷载增加截面变形略微偏离平截面假定但差别不大，因此在进行无粘结CFRP筋混凝土的设计计算时，混凝土应变仍然可以看作符合平截面假定，但是CFRP筋的最终应力不能根据平截面假定推算。

3 结论

本文通过预应力CFRP筋混凝土板静力加载试验，对无粘结预应力CFRP筋混凝土板的受力性能进行分析，得出如下结论：

(1) 拉区配有普通钢筋的无粘结预应力CFRP筋混凝土板的受力过程大致可分为3个阶段：加载初期的弹性受力阶段，裂缝出现至拉区普通钢筋屈服的弹塑性阶段，CFRP筋主要承拉的变形快速发展破坏阶段。

(2) 无粘结预应力CFRP筋混凝土板的破坏形式为CFRP筋的低模量导致的变形快速发展，裂缝延伸，有效受压混凝土面积减小导致的混凝土压碎失效。

(3) 无粘结预应力CFRP筋混凝土板的裂缝形态多为等间距的平行裂缝，裂缝初期发展较慢，在普通钢筋屈服后迅速开展。

(4) 在进行无粘结CFRP筋混凝土的设计计算时，混凝土应变可以看作符合平截面假定，但是CFRP筋的最终应力不能根据平截面假定推算。