可“塑”混凝土为建筑物抗震强筋

来源：科技日报

科技日报记者 俞慧友

在地处8度抗震设防区的内蒙古金山热电厂，矗立着一座高达195米的冷却塔。建筑物下部的斜交支撑结构中，浇筑了一种特殊的钢管混凝土柱。

与平时使用的钢管混凝土柱不同，这种特殊的钢管混凝土柱应用了中南大学教授丁发兴团队自主研发的拉筋增强技术。现场原位测试、缩尺构件实验验证与整体结构模型分析显示，使用了这一技术的钢管混凝土柱，使得建筑体抗震能力提高了40%，抗震能力高于国家标准9度抗震设防最高等级。

“从理论研究到将技术应用在钢管混凝土柱中，我们花费了20多年时间。”近日，在中南大学天心校区土木工程学院一间办公室里，丁发兴对科技日报记者说。

推演混凝土可“塑”理论公式

钢管混凝土柱由外层钢管和内部填充的混凝土组合而成，在我国超高层建筑、大型高铁站房和机场航站楼等大跨度建筑中有着广泛的应用。

在遭遇地震时，具有塑性特征的钢管部分可充当阻尼器，抵消震动的耗能。混凝土柱则因其脆性特征而无法承担阻尼器角色。因此，如果要提高建筑物体的抗震能力，往往需为建筑物添加阻尼器来增加其抗震性能。

2000年9月，丁发兴入读中南大学，师从中国工程院院士、中南大学教授余志武。在开展一项混凝土单方向受压实验时，他注意到在混凝土因受力增大而被压碎破坏的过程中，其在纵向和横向变形中都呈现出了少量的塑性行为。

虽然此前有大量实验显示，三向受压下的混凝土应力水平会大幅度提升，并呈现出明显的塑性特征。但百年来，学界对材料的脆性断裂和塑性屈服两种破坏模式，仍停留在强度理论的经验公式阶段。

“那次试验后，我想尝试推导出混凝土呈现塑性的精确公式。因为混凝土呈现塑性时，建筑体自身的抗震‘阻尼’效果将大幅提升。”他说。

基于实验，丁发兴提出了横向和纵向变形都可以分解为弹性和塑性变形的基本假设。考虑到混凝土具有抗压强度高、抗拉强度低的特点，丁发兴认为，传统塑性耗能率计算模型难以有效反映其拉压差异的影响，因此，他改用相对耗能率计算模型。

不到1年时间，丁发兴通过简洁的数学推导，创建了新强度理论的基础表达式，并将其命名为“损伤比理论”。但这一理论公式中最核心的关键参数，即反映材料不同受力状态下，不同破坏模式的“损伤比指数”，却很难以公式的形式表述。

为推演出广适的“损伤比指数”表达式，工作后的丁发兴，组建了自己的团队，继续开展相关攻关。不想，一干就是20年。

通过持续论证，团队将受压时的损伤比指数表达式简化为带4个经验系数的变量，并结合受拉损伤比指数，终于获得了相对成熟的理论模型。“损伤比理论作为一种解释材料破坏原理的理论，能成功解释高压下脆性材料（混凝土、岩石等）转变为塑性状态的物理现象。”丁发兴说。

丁发兴向记者展示了一个摆放在办公室里的“红心”立体模型：“这是我们根据最终混凝土损伤比理论所表达的空间数学曲面，3D打印出来的模型。你看，它竟然是一个三面对称的爱心形状！根据我们的公式，可以计算出混凝土展现出塑性的‘点位’。”

团队通过收集不同材料在三向荷载下的强度实验数据并进行比较分析，发现损伤比理论不仅适用于普通混凝土，也适用于海水海砂珊瑚礁混凝土等其他新型混凝土，岩石、黄土、冻土等地球表面的自然材料，以及沥青路面、铸铁等。

开发钢管混凝土拉筋增强技术

在获得了损伤比理论后，丁发兴团队开始考虑如何将混凝土在理论上表征出的塑性行为应用于建筑工程领域。

“受到导师的一段亲身经历启发，我们想到了拉筋技术的优化。”丁发兴说。

2000年前后建设的台湾省台北101大厦，采用了钢管混凝土内拉筋做法。余志武曾在该大厦施工现场参观。不过，当时拉筋技术主要用于在混凝土浇筑时防止矩形钢管鼓曲。

在导师指导下，丁发兴带领团队开展了初步实验、模型验证、优化分析与再次实验验证的多次循环论证，明确了拉筋构造形式，深入量化了拉筋的用量和使用部位。模型分析结果显示，通过运用增强版的拉筋技术，拉筋钢管混凝土柱不仅承载能力增强，且具备了阻尼器效果。将其用于建筑结构抗震时，结构耗能能力可提升40%—100%，这意味着建筑抗震安全度提升一个等级。

此外，钢材具有受热膨胀的基本特性，而混凝土材料则具有收缩的基本特性。因此，钢管混凝土柱在使用过程中，钢管与混凝土之间的“界面”容易脱黏，影响建筑承载和抗震能力。

团队通过在实验室抗震试验、长沙西站和西安曲江文创中心超高层工程实测等多场景、多尺度条件下进行有效测试，进一步论证了合理的拉筋布局。

“拉筋增强技术下的钢管混凝土结构还能提高材料利用效率。”丁发兴解释，相同建筑在拉筋加持下，将可承受更重的荷载，实现更高的高度与更大的跨度。而在相同性能时，其可以减少钢材与混凝土用量，使建设工程更经济和低碳。