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在地處8度抗震設(shè)防區(qū)的內(nèi)蒙古金山熱電廠，一座高達(dá)195米的冷卻塔建筑物下部的斜交支撐結(jié)構(gòu)中，澆筑了一種特殊的鋼管混凝土柱。

與素日使用的鋼管混凝土柱不同，它應(yīng)用了中南大學(xué)教授丁發(fā)興團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的拉筋增強(qiáng)技術(shù)。經(jīng)現(xiàn)場原位測試、縮尺構(gòu)件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與整體結(jié)構(gòu)模型分析，使用了這一技術(shù)的鋼管混凝土柱，提高了建筑體40%的抗震能力，高于國家標(biāo)準(zhǔn)9度抗震設(shè)防最高等級。

“從理論研究到技術(shù)在鋼管混凝土柱中的應(yīng)用，我們花費(fèi)了20多年時(shí)間?！?月9日，中南大學(xué)天心校區(qū)土木工程學(xué)院一間辦公室里，丁發(fā)興對科技日報(bào)記者說。

推演混凝土可“塑”理論公式

鋼管混凝土柱在我國超高層建筑、大型高鐵站房和機(jī)場航站樓等大跨度建筑中有著廣泛的應(yīng)用。鋼管混凝土柱由外層鋼管和內(nèi)部填充混凝土組合而成。

在遭遇地震時(shí)，具有塑性特征的鋼管部分可充當(dāng)阻尼器，抵消震動的耗能?；炷林鶆t因其脆性特征而無法承擔(dān)“阻尼器”角色。因此，當(dāng)考量建筑物體抗震能力不足時(shí)，往往需為建筑物添加阻尼器來增加建筑體的抗震性能。

2000年9月，入讀中南大學(xué)的丁發(fā)興，師從中國工程院院士、中南大學(xué)教授余志武學(xué)習(xí)。在開展一項(xiàng)混凝土單方向受壓實(shí)驗(yàn)中，他注意到混凝土隨著受力增大，直至被壓碎破壞的過程中，混凝土在縱向和橫向變形中都呈現(xiàn)出了少量的塑性行為。

雖然此前有大量實(shí)驗(yàn)顯示，三向受壓下的混凝土應(yīng)力水平會大幅度提升，并呈現(xiàn)出明顯的塑性特征。但百年來，學(xué)界對材料的脆性斷裂和塑性屈服兩種破壞模式，仍停留在強(qiáng)度理論的經(jīng)驗(yàn)公式階段。

“那次試驗(yàn)后，我想嘗試提出混凝土呈現(xiàn)塑性的精確公式。如果混凝土呈現(xiàn)塑性時(shí)，建筑體自身的抗震‘阻尼’效果將大幅提升。”他說。

基于實(shí)驗(yàn)，丁發(fā)興敏銳地提出了橫向和縱向變形都可以分解為彈性和塑性變形的基本假設(shè)?？紤]到混凝土具抗壓強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn)，丁發(fā)興認(rèn)為傳統(tǒng)塑性耗能率計(jì)算模型難以有效反映其拉壓差異的影響，改用了相對耗能率計(jì)算模型。

基本假設(shè)和計(jì)算模型帶來的更新，不到一年時(shí)間，丁發(fā)興通過簡潔的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，便創(chuàng)建了新強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)表達(dá)式，并將其命名為“損傷比理論”。但這一理論公式中最核心的關(guān)鍵參數(shù)，即反映材料不同受力狀態(tài)下，不同破壞模式的“損傷比指數(shù)”，卻很難以公式的形式表述。

在余志武院士指導(dǎo)下，丁發(fā)興通過對國內(nèi)外已有普通混凝土實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，發(fā)現(xiàn)單方向受壓狀態(tài)下?lián)p傷比指數(shù)基本為1，三個(gè)方向受壓狀態(tài)下該指數(shù)會降低，在受拉狀態(tài)下，混凝土損傷比指數(shù)基本為常數(shù)0.1。學(xué)習(xí)期間有關(guān)損傷比指數(shù)的推演，止步于此。

探索“損傷比指數(shù)”參數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)

為推演出廣適的“損傷比指數(shù)”表達(dá)式，工作后的丁發(fā)興，組建了自己的團(tuán)隊(duì)，繼續(xù)開展相關(guān)攻關(guān)。不想，一干就是20年。

通過簡化處理，團(tuán)隊(duì)將受壓時(shí)的損傷比指數(shù)表達(dá)式簡化為帶2個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的變量，結(jié)合常數(shù)的受拉損傷比指數(shù)，形成了最初用于普通混凝土的理論模型。不過，此時(shí)的損傷比理論僅能反映實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的普通混凝土多向受力強(qiáng)度規(guī)律。

2018年，丁發(fā)興與團(tuán)隊(duì)成員吳霞博士一道，通過建模，將受壓損傷比指數(shù)表達(dá)式升級為帶5個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的變量，結(jié)合常數(shù)的受拉損傷比指數(shù)，形成了升級版的理論模型。

在升級后的理論模型得到普通混凝土、輕骨料混凝土、纖維混凝土以及各向同性巖石多向受力強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證后，團(tuán)隊(duì)頗感振奮。通過進(jìn)一步研究中，多方展開的持續(xù)論證，團(tuán)隊(duì)再次將受壓時(shí)的損傷比指數(shù)表達(dá)式簡化為帶4個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的變量，并結(jié)合常數(shù)的受拉損傷比指數(shù)，終于獲得了相對成熟的理論模型。“損傷比理論作為一種解釋材料破壞原理的理論，能成功解釋高壓下脆性材料（混凝土、巖石等）轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的物理現(xiàn)象?！倍“l(fā)興說。

丁發(fā)興向記者展示了一個(gè)擺放在辦公室里的“紅心”立體模型：“這是我們根據(jù)最終混凝土損傷比理論所表達(dá)的空間數(shù)學(xué)曲面，通過3D打印出來的模型。你看，它竟然是一個(gè)三面對稱的愛心形狀！根據(jù)我們的公式，可以計(jì)算出混凝土展現(xiàn)出塑性的‘點(diǎn)位’?！?/p>

團(tuán)隊(duì)通過收集不同材料在三向荷載下的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)損傷比理論不僅適用于普通混凝土，也適用于海水海砂珊瑚礁混凝土等其他新時(shí)代環(huán)保背景下的新型混凝土，瀝青路面、鑄鐵、水泥土和正交各向異性金屬材料，以及巖石、黃土、凍土、砂土、冰等地球表面的自然材料。

這意味著損傷比理論具備了廣適性。此外，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的損傷比理論還可分別簡化為巖土材料莫爾-庫倫強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則（1900年）、各向同性金屬塑性材料米塞斯屈服理論（1913年）和正交各向異性金屬塑性材料希爾屈服經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則（1948年）。這使得損傷比理論逐步得到了國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可。澳大利亞混凝土學(xué)會資深會員Sanjayan教授稱該理論為“損傷比強(qiáng)度理論”，并認(rèn)為“損傷比取值有效”。

開發(fā)鋼管混凝土拉筋增強(qiáng)技術(shù)

在獲得了損傷比理論后，丁發(fā)興團(tuán)隊(duì)著手考量如何將混凝土在理論上表征出的塑性行為應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域。

“受到導(dǎo)師的一段親身經(jīng)歷的啟發(fā)，我們想到了拉筋技術(shù)的優(yōu)化。”丁發(fā)興說。

2000年前后建設(shè)的臺北101大廈，采用了一種鋼管混凝土內(nèi)拉筋的做法。余志武院士曾在該大廈施工現(xiàn)場參觀。不過，當(dāng)時(shí)拉筋技術(shù)主要用于在混凝土澆筑時(shí)防止矩形鋼管鼓曲。

在院士指導(dǎo)下，丁發(fā)興帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了初步實(shí)驗(yàn)、模型驗(yàn)證、優(yōu)化分析與再次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的多次循環(huán)論證，明確了拉筋構(gòu)造形式，深入量化了拉筋的用量和使用部位。模型分析結(jié)果顯示，經(jīng)過增強(qiáng)版的拉筋技術(shù)，拉筋鋼管混凝土柱在加強(qiáng)承載能力的同時(shí)，具備了阻尼器效果。將其用于建筑結(jié)構(gòu)抗震時(shí)，結(jié)構(gòu)耗能能力可提升40%-100%，這意味著建筑抗震安全度提升一個(gè)等級。

此外，鋼材具有受熱膨脹的基本特性，而混凝土材料則具有收縮的基本特性。因此，鋼管混凝土柱在使用過程中，容易出現(xiàn)鋼管與混凝土之間的“界面”脫黏，影響建筑承載和抗震能力。

團(tuán)隊(duì)通過在實(shí)驗(yàn)室抗震試驗(yàn)、長沙西站和西安曲江文創(chuàng)中心超高層工程實(shí)測等多場景、多尺度條件下進(jìn)行有效測試，進(jìn)一步論證了合理的拉筋布局，除增強(qiáng)混凝土塑性外，還具備有效防止鋼管混凝土界面脫黏的效果。

“拉筋增強(qiáng)技術(shù)下的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)還能提高材料利用效率。”丁發(fā)興解釋，相同建筑在拉筋加持下，將可承受更重的荷載，實(shí)現(xiàn)更高的高度與更大的跨度。而在相同性能時(shí)，可以減少鋼材與混凝土用量，使建設(shè)工程更經(jīng)濟(jì)和低碳。