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碳纤维增强聚合物（CFRP）对圆柱形储罐屈曲性能的约束效应研究

作者及机构
本研究由土耳其Erzurum Technical University土木工程系的Mahyar Maali、Ataturk University的Mahmut Kılıç和Abdulkadir Cüneyt Aydin共同完成，发表于《International Journal of Steel Structures》2023年第23卷第2期。

学术背景
薄壁圆柱形储罐（thin-walled cylindrical tanks）是土木工程中广泛应用的结构，但其对几何缺陷高度敏感，可能导致屈曲（buckling）荷载能力显著降低。传统加固方法（如钢环加劲肋）存在焊接导致的缺陷问题。碳纤维增强聚合物（CFRP）因其高强度、易施工等优势成为新型加固材料。本研究旨在探究螺旋形（spiral）和水平形（horizontal）CFRP约束方式及间距（100 mm、200 mm、300 mm）对储罐屈曲性能的影响，填补了CFRP约束形式优化研究的空白。

研究流程
1. 实验设计
- 研究对象：8组实验室试样，分为三组：
- 螺旋约束组（S组）：S100、S200、S300，CFRP宽度50 mm，间距分别为100 mm、200 mm、300 mm。
- 水平约束组（V组）：V100、V200、V300，参数同S组。
- 对照组（P组）：无约束（P）和全表面CFRP覆盖（P-CFRP）的完美模型。
- 几何参数：储罐高度1000 mm、半径200 mm、厚度0.45 mm，符合国际标准推荐的径厚比（R/t）范围（300–1000）。

1. 试样制备

   • 制造工艺：钢板通过剪板机切割并卷曲成型，采用焊接边缘以减少残余应力。
     
   • CFRP加固：储罐外表面经喷砂清洁后，涂覆环氧树脂（epoxy resin）并包裹单向碳纤维布（面积密度230 g/m²），采用真空泵（Zinisan，600 kPa）施加静水压力。
     

2. 测试系统

   • 位移测量：4个线性可变差动变压器（LVDTs）测量水平位移，布置于0°、90°、180°、270°方位。
     
   • 应变测量：2个应变片（YEFLA-5）分别水平（S1）和垂直（S2）方向安装，数据通过InstruNet 1420采集。
     

3. 实验分析

   • 屈曲荷载分类：记录初始屈曲（initial buckling）、整体屈曲（overall buckling）和坍塌屈曲（collapse buckling）荷载。
     
   • 理论对比：将实验结果与Jawad理论（式1）、欧洲规范ECCS（式2）和Donnell理论（式3）的屈曲波数预测值对比。
     

主要结果
1. 屈曲荷载变化
- 初始屈曲：S组和V组的初始屈曲荷载随CFRP间距增大而降低。例如，S100（44.24 kPa）降至S300（16.51 kPa），降幅达62.68%；V100（28.56 kPa）降至V300（15.48 kPa），降幅45.8%。
- 整体屈曲：S200模型表现出最优延性，其整体屈曲荷载为60.90 kPa，接近完美模型（P组57.43 kPa）。
- 坍塌屈曲：全CFRP覆盖模型（P-CFRP）的坍塌荷载最高（163.61 kPa），是未加固模型的2.16倍。

1. 约束形式影响

   • 螺旋约束（S组）：对初始屈曲的提升效果优于水平约束（S100比V100高35.44%），但整体屈曲能力较弱。
     
   • 水平约束（V组）：在整体和坍塌屈曲阶段表现更优，如V100的坍塌荷载（115.61 kPa）比S100（105.66 kPa）高9.42%。
     

2. 失效模式

   • S组和V组在坍塌时表现为边缘V形屈曲，而P组和P-CFRP组表现为周向波（circumferential wave）和水平波（horizontal wave）屈曲。全CFRP覆盖模型在坍塌后由圆形变为椭圆形。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 揭示了CFRP约束间距与屈曲性能的非线性关系，为薄壁结构优化设计提供理论依据。
- 提出螺旋约束更适合提升初始稳定性，而水平约束对整体承载力的增强更显著。

1. 应用价值
   
   • CFRP加固可替代传统钢加劲肋，避免焊接缺陷，适用于对缺陷敏感的大型储罐工程。
     
   • 研究结果与ECCS和Jawad理论吻合，验证了CFRP加固的可靠性。
     

研究亮点
1. 创新方法：首次系统比较螺旋与水平CFRP约束的屈曲效应，提出“箍筋式CFRP”（stirrup-type CFRP）概念。
2. 实验设计：采用真空泵模拟静水压力，精确控制荷载条件；通过LVDTs和应变片多维度采集数据。
3. 理论贡献：修正了传统屈曲理论对CFRP约束结构的适用性，提出需引入系数以预测不同屈曲阶段荷载。

其他发现
- 屈曲波数实验值比Donnell理论预测少2–4个，表明CFRP约束能减少波数并增强刚性。
- 研究建议进一步开展1:1比例实验，以验证理论在工程实际中的普适性。

（报告字数：约1500字）