近日，中欧联合非开挖技术研究中心在相关领域取得突破性进展，相关成果发表于国际顶级期刊《Thin–Walled Structures》（TOP期刊，领域顶刊），文章题目：“Instability mechanism transitions in imperfect internally restrained thin-walled cylindrical shells ”。
摘要：CIPP内衬复合管道长期服役时，失稳破坏的诱因会发生改变：初期由水土外压引发整体屈曲，后期会因内衬缝隙、地基沉降，分别出现迟滞塌陷、局部拉裂渗漏。界面约束退化、刚度失配与材料蠕变会放大壳体缺陷、削弱管衬协同受力，引发位移主导型失效，这也是规范屈曲验算合格仍出现延迟失稳、局部破损的重要原因。本文从机理演化角度阐释该类壳体失稳行为，明确机理转换关键控制因素，剖析现有屈曲设计体系的局限性；跳出临界荷载判定失效的传统思路，从机理演化角度为带缺陷复合圆柱壳长期稳定分析提供力学理论依据。
1. 引言
埋地CIPP 内衬修复管道为原管约束的复合薄壁圆柱壳，外压下失稳特性受几何缺陷、管衬界面、边界变形显著影响。现有规范均基于外压屈曲理论开展内衬稳定验算，但工程中大量管线校核达标后，长期服役仍出现延迟屈曲、内衬拉裂渗漏，导致理论计算结果与工程实际失效现象之间存在明显偏差。
试验、数值及理论研究表明，管衬界面劣化、施工几何缺陷、树脂粘弹性时效、地基不协调位移耦合作用，会改变结构主导失稳模式；而现行屈曲设计基于线弹性、无缺陷、母管完全失效三重理想假设，无法表征管道全周期稳定演化规律，难以解释长期隐蔽失效问题。
树脂内衬在长期荷载作用下会发生蠕变与应力松弛，导致结构刚度逐步衰减；同时，蠕变又会进一步放大原有缺陷，形成“缺陷扩展—承载力下降”的循环效应；地基沉降、接头变形等边界位移则会使结构由整体屈曲转为局部拉伸破损，不同失稳模式会随着径厚比、缺陷幅值及界面刚度变化而发生转换。
ASTM、DWA、EN、CJJ/T 210 等主流标准简化处理界面、缺陷与蠕变作用，缺少两类失稳模式定量判别方法，仅依靠临界屈曲荷载校核无法全面防控多场耦合下的长期失效风险。
针对理论与工程脱节问题，文章基于壳体稳定力学建立机理化失稳分析框架，阐明几何缺陷、界面约束、材料时效、边界位移调控失稳转换的内在机制，对比揭示各国规范力学假设与实际失效机理的不匹配问题，补充传统临界荷载判定框架在长期服役场景下的适用边界，为含缺陷CIPP 内衬管道长期稳定评估提供力学理论支撑。
图1 内约束薄壁复合圆柱壳失稳机理转换的概念框架
2.现行CIPP稳定设计方法的理论假设及适用边界
当前CIPP 内衬抗外压稳定计算均以无约束自由圆环弹性屈曲理论为基础，其临界屈曲压力解析表达式为：
该模型仅适用于几何无缺陷、界面完全脱粘、短期弹性加载的理想工况，包含三组脱离工程实际的简化假设，构成设计与工程失效脱节的底层诱因。
2.1内衬独立承载假设：母管剩余结构作用考虑不足
主流规范通常假定破损管“完母管全失去结构作用”，将内衬视为独立的承压构件。
但试验与数值模拟表明，开裂或局部破损的母管仍可持续提供径向围限约束，显著提升内衬的临界屈曲荷载。完全忽略该围限作用不仅会导致内衬壁厚设计过于保守，也无法真实表征“管-衬”协同受力的复合力学行为。
2.2未量化界面缺陷演化
施工产生的初始缺陷及长期服役下的界面退化，会削弱界面约束。有效粘结可激活协同承载，而间隙与脱粘则会导致结构退化为独立受力状态。现有规范无法定量表征界面刚度退化对失稳模式的调控作用。
2.3采用单一折减系数简化材料时变蠕变效应
CIPP树脂基复合材料具有显著的粘弹性特征。在长期持续荷载作用下，内衬会产生拉伸/弯曲蠕变与应力松弛，导致其在 50 年设计基准期内的有效弹性模量衰减 50% 以上。然而，现行标准仅采用统一的长期折减系数来简化处理蠕变效应，忽视了树脂基体、纤维增强形式及荷载持时对时变变形的差异化影响，因而难以准确表征“蠕变放大初始缺陷并诱发迟滞屈曲”的非线性耦合演化机制。
综上，现行的临界荷载校核方法仅能作为结构安全的基础边界条件。由于其过度依赖理想工况，并不能充分预测和涵盖长期服役过程中的迟滞屈曲等隐性风险。
图2 外压作用下复合壳典型屈曲模式对比(a)自由环屈曲；(b)母管围限约束屈曲；(c)环隙缺陷控制屈曲；(d)初始椭圆度控制屈曲
3.内约束复合圆柱壳失稳机理转换框架与力学分区
文章构建了机理导向的失效分析框架，根据主控参量将复合壳体失稳划分为不同主导机制控制的失稳区间，各区间之间存在耦合与转换关系，其转换过程受径厚比D/t、归一化缺陷幅值Δ/t、界面刚度比及边界位移幅值等无量纲参数共同调控。
3.1几何缺陷控制型失稳
该类失稳主要受初始椭圆度、环向间隙、壁厚不均及局部褶皱等几何缺陷控制。长期服役过程中，材料粘弹性蠕变导致结构时变变形持续累积，使既有缺陷效应逐步放大，壳体对缺陷的敏感性同步增强，结构抗外压稳定储备随服役时间不断衰减，形成“蠕变累积—缺陷效应强化—稳定储备下降”的耦合演化过程。在此机制下，即使不存在显著瞬时超载，结构仍可能发生延迟屈曲或突跳失稳，其失效压力明显低于短期弹性分析结果。该模式常见于高地下水外压环境、内衬大面积脱空、纯树脂内衬以及长期恒载作用下的埋地管线。
3.2边界位移控制型失效
该类失效主要受地基不均匀沉降、断层错动、管道接头张开或转角变形，以及土体诱发的强制边界位移控制。其演化过程中，结构响应由外部荷载控制逐步向边界变形控制转变，不协调位移导致局部拉应变集中，当局部应变超过材料容许变形能力后，引发损伤累积及裂缝扩展。与整体屈曲不同，该模式下结构整体稳定性可能仍保持，但接头区或错台区域会率先出现内衬局部拉裂、开口及贯通渗漏等局部破坏现象。该失效模式多见于软土地基区域、地震活动区、新旧管道拼接断面以及基坑和重载道路下穿管线等服役场景。
图3 不同复合体系应力-变形、荷载-位移响应特征曲线
4.国内外主流 CIPP 设计规范力学假设对比与短板分析
文章针对ASTM F1216、DWA-A 143-2、EN ISO 11296-4、CJJ/T 210 四类代表性CIPP 内衬设计规范，从理论根基、缺陷表征方式、长期力学响应计算体系三个维度开展横向对比研究，揭示各规范力学假定与实际内衬失稳演化机制的固有不匹配问题，各规范理论体系与力学缺陷汇总见表1。
表1 国内外主流CIPP 设计规范力学假设对比与短板分析
现有规范体系多基于理想静态力学模型完成结构稳定验算，难以定量刻画服役全过程中几何初始缺陷、界面约束效应、材料蠕变特性、边界变形条件多因素耦合下的非线性演化行为。单一临界屈曲荷载评价指标无法完整覆盖复杂工况下的结构失效包络面。后续研究需深入阐明长期服役环境下内衬失稳演化机理，完善稳定性能定量评价理论与计算方法，构建基于失稳模态分区的精细化评估体系，实现内衬长期服役稳定风险的精准量化评估。
图4 国内外设计标准对比
原文信息：
Jing Liu, Wenlin Jing, Jingguo Cao, et al. Instability mechanism transitions in imperfect internally restrained thin-walled cylindrical shells [J]. Thin–Walled Structures, 2026, 228: 115124.通讯作者：Jingguo Cao（曹井国） ，Kangfu Sun （孙康福）。第一单位：天津科技大学。