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，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。
与素日使用的钢管混凝土柱不同，它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。经现场原位测试、缩尺构件实验验证与整体结构模型分析，使用了这一技术的钢管混凝土柱，提高了建筑体40%的抗震能力，高于国家标准9度抗震设防最高等级。
“从理论研究到技术在钢管混凝土柱中的应用，我们花费了20多年时间。”1月9日，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。钢管混凝土柱由外层钢管和内部填充混凝土组合而成。
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，当考量建筑物体抗震能力不足时，往往需为建筑物添加阻尼器来增加建筑体的抗震性能。
2000年9月，入读中南大学的丁发兴，师从中国工程院院士、中南大学教授余志武学习。在开展一项混凝土单方向受压实验中，他注意到混凝土随着受力增大，直至被压碎破坏的过程中，混凝土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，我想尝试提出混凝土呈现塑性的精确公式。如果混凝土呈现塑性时，建筑体自身的抗震‘阻尼’效果将大幅提升。”他说。
基于实验，丁发兴敏锐地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，改用了相对耗能率计算模型。
基本假设和计算模型带来的更新，不到一年时间，丁发兴通过简洁的数学推导，便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。
在余志武院士指导下，丁发兴通过对国内外已有普通混凝土实验数据的整理，发现单方向受压状态下损伤比指数基本为1，三个方向受压状态下该指数会降低，在受拉状态下，混凝土损伤比指数基本为常数0.1。学习期间有关损伤比指数的推演，止步于此。
探索“损伤比指数”参数的数学表达
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。
通过简化处理，团队将受压时的损伤比指数表达式简化为带2个经验系数的变量，结合常数的受拉损伤比指数，形成了最初用于普通混凝土的理论模型。不过，此时的损伤比理论仅能反映实验范围内的普通混凝土多向受力强度规律。
2018年，丁发兴与团队成员吴霞博士一道，通过建模，将受压损伤比指数表达式升级为带5个经验系数的变量，结合常数的受拉损伤比指数，形成了升级版的理论模型。
在升级后的理论模型得到普通混凝土、轻骨料混凝土、纤维混凝土以及各向同性岩石多向受力强度试验数据的验证后，团队颇感振奋。通过进一步研究中，多方展开的持续论证，团队再次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，并结合常数的受拉损伤比指数，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，通过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时代环保背景下的新型混凝土，沥青路面、铸铁、水泥土和正交各向异性金属材料，以及岩石、黄土、冻土、砂土、冰等地球表面的自然材料。
这意味着损伤比理论具备了广适性。此外，团队研发的损伤比理论还可分别简化为岩土材料莫尔-库伦强度经验准则（1900年）、各向同性金属塑性材料米塞斯屈服理论（1913年）和正交各向异性金属塑性材料希尔屈服经验准则（1948年）。这使得损伤比理论逐步得到了国内外学者的认可。澳大利亚混凝土学会资深会员Sanjayan教授称该理论为“损伤比强度理论”，并认为“损伤比取值有效”。
开发钢管混凝土拉筋增强技术
在获得了损伤比理论后，丁发兴团队着手考量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的启发，我们想到了拉筋技术的优化。”丁发兴说。
2000年前后建设的台北101大厦，采用了一种钢管混凝土内拉筋的做法。余志武院士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。
在院士指导下，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，经过增强版的拉筋技术，拉筋钢管混凝土柱在加强承载能力的同时，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，容易出现钢管与混凝土之间的“界面”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，除增强混凝土塑性外，还具备有效防止钢管混凝土界面脱黏的效果。
“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，可以减少钢材与混凝土用量，使建设工程更经济和低碳。
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