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CFRP对含凹陷圆柱壳屈曲行为的影响研究

一、作者及发表信息
本研究由土耳其Ataturk大学土木工程系的Abdulkadir Cüneyt Aydın、Sakarya大学的Zeynep Yaman等团队合作完成，发表于《International Journal of Steel Structures》2020年第20卷第2期（2020年4月）。研究聚焦于碳纤维增强聚合物（CFRP, Carbon Fiber Reinforced Polymer）对含几何缺陷（凹陷）的薄壁圆柱壳在外压作用下的屈曲行为的影响。

二、学术背景与研究目标
薄壁圆柱壳广泛应用于储水罐、石油储罐、海洋结构及压力容器等工程领域，但其对几何缺陷（如焊接变形或机械损伤导致的凹陷）极为敏感，易引发屈曲失效。尽管已有研究探讨了初始缺陷对壳体稳定性的影响，但关于CFRP加固含凹陷壳体的屈曲行为仍缺乏系统性实验验证。
本研究旨在通过实验分析：
1. 不同凹陷深度（tc和2tc，tc为壳体厚度）及数量（单条或双条凹陷线）对圆柱壳屈曲载荷的影响；
2. CFRP贴片对含凹陷壳体的加固效果；
3. 实验结果与经典屈曲理论（如Jawad、Venstel-Krauthaer、Ross理论等）的对比。

三、研究流程与方法
1. 试样设计与制备
- 分组与参数：共10个薄壁钢制圆柱壳试样，分为两组：
- 无CFRP组：5个试样，包括1个无缺陷对照组、4个含不同凹陷（深度tc/2tc，数量1/2条）的试样；
- CFRP加固组：5个试样，含相同凹陷配置但贴覆CFRP条带（尺寸按公式3bd × (ld + 2bd)计算，bd为凹陷宽度，ld为长度）。
- 几何参数：壳体高度h=500 mm，半径r=500 mm，厚度tc=1 mm；凹陷长度固定为h/3（166.67 mm）。

1. 实验装置与加载

   • 测试设备：采用真空泵施加均匀外压，压力上限600 kPa；位移通过4个LVDT（线性可变差动变压器）在0°、90°、180°、270°位置测量。
     
   • 凹陷引入：使用静态载荷泵（最大载荷900 kN）在壳体表面预置凹陷，确保缺陷形状可控。
     

2. 数据采集与分析

   • 关键指标：记录初始屈曲载荷（P1）、整体屈曲载荷（P2）和坍塌载荷（P3）；通过高速摄影观察屈曲波形。
     
   • 理论对比：将实验结果与Jawad、Venstel-Krauthaer、Ross理论及BSI（英国标准协会）、ECCS（欧洲钢结构协会）规范的计算值对比。
     

四、主要研究结果
1. 屈曲载荷变化规律
- 无CFRP组：凹陷深度增加（tc→2tc）导致初始屈曲载荷降低（如单凹陷试样降低28%），但双凹陷试样因“加劲效应”反而提高载荷（如c(2-2tc)比c(2-tc)高0.75%）。
- CFRP加固组：贴覆CFRP使初始屈曲载荷提升8%~52%，其中单凹陷试样提升显著（如cfrp-c(1-tc)比c(1-tc)高52%）。

1. 屈曲模式与波形

   • 所有试样坍塌时均出现边缘隆起和V形扭转线；CFRP全覆盖试样的屈曲波数（7个）少于无CFRP试样（9个），表明CFRP抑制了波形扩展。
     
   • 理论预测波数（13个）高于实验值，可能与边界条件简化有关。
     

2. 理论与实验对比

   • 实验屈曲载荷普遍高于理论值（如无CFRP组初始载荷为Jawad理论的1.24~3.52倍），说明现有理论对含缺陷壳体的保守性。
     
   • CFRP加固进一步放大了理论与实验的差异（如cfrp-c(1-tc)初始载荷为ECCS理论的3.14倍），提示需修正理论中的材料强化系数。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了凹陷几何参数（深度、数量）对壳体屈曲行为的非线性影响，明确了双凹陷的“类加劲效应”；
- 验证了CFRP局部加固可显著提升含缺陷壳体的稳定性，为工程修复提供了实验依据。

1. 应用价值：
   
   • 提出了针对含凹陷壳体的CFRP加固设计公式（如贴片尺寸计算），可直接用于储罐、管道等结构的抗屈曲设计；
     
   • 通过实验数据标定了理论修正系数（如1.2~3.5倍的安全系数），辅助规范更新。
     

六、研究亮点
1. 创新性方法：结合真空加载与LVDT高精度测量，实现了外压下壳体屈曲全过程的动态捕捉；
2. 多理论验证：首次系统对比了5种理论/规范对CFRP加固壳体的适用性；
3. 工程导向设计：CFRP贴片尺寸基于实际接触面优化，兼顾了工艺可行性与加固效率。

七、其他发现
- 屈曲后行为分析表明，CFRP抑制了坍塌后的变形累积，可能延长结构的剩余寿命；
- 研究数据已公开，可用于后续数值模型（如有限元）的校准。

此报告全面覆盖了研究的背景、方法、结果与意义，可供相关领域研究者参考。