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在地處8度抗震設防區(qū)的內蒙古金山熱電廠，一座高達195米的冷卻塔建筑物下部的斜交支撐結構中，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，它應用了中南大學教授丁發(fā)興團隊自主研發(fā)的拉筋增強技術。經現(xiàn)場原位測試、縮尺構件實驗驗證與整體結構模型分析，使用了這一技術的鋼管混凝土柱，提高了建筑體40%的抗震能力，高于國家標準9度抗震設防最高等級。

“從理論研究到技術在鋼管混凝土柱中的應用，我們花費了20多年時間?！?月9日，中南大學天心校區(qū)土木工程學院一間辦公室里，丁發(fā)興對科技日報記者說。

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、大型高鐵站房和機場航站樓等大跨度建筑中有著廣泛的應用。鋼管混凝土柱由外層鋼管和內部填充混凝土組合而成。

在遭遇地震時，具有塑性特征的鋼管部分可充當阻尼器，抵消震動的耗能。混凝土柱則因其脆性特征而無法承擔“阻尼器”角色。因此，當考量建筑物體抗震能力不足時，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，入讀中南大學的丁發(fā)興，師從中國工程院院士、中南大學教授余志武學習。在開展一項混凝土單方向受壓實驗中，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。

雖然此前有大量實驗顯示，三向受壓下的混凝土應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，仍停留在強度理論的經驗公式階段。

“那次試驗后，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，建筑體自身的抗震‘阻尼’效果將大幅提升?！彼f。

基于實驗，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?？紤]到混凝土具抗壓強度高、抗拉強度低的特點，丁發(fā)興認為傳統(tǒng)塑性耗能率計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算模型。

基本假設和計算模型帶來的更新，不到一年時間，丁發(fā)興通過簡潔的數(shù)學推導，便創(chuàng)建了新強度理論的基礎表達式，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。

在余志武院士指導下，丁發(fā)興通過對國內外已有普通混凝土實驗數(shù)據的整理，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。學習期間有關損傷比指數(shù)的推演，止步于此。

探索“損傷比指數(shù)”參數(shù)的數(shù)學表達

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

通過簡化處理，團隊將受壓時的損傷比指數(shù)表達式簡化為帶2個經驗系數(shù)的變量，結合常數(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，此時的損傷比理論僅能反映實驗范圍內的普通混凝土多向受力強度規(guī)律。

2018年，丁發(fā)興與團隊成員吳霞博士一道，通過建模，將受壓損傷比指數(shù)表達式升級為帶5個經驗系數(shù)的變量，結合常數(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度試驗數(shù)據的驗證后，團隊頗感振奮。通過進一步研究中，多方展開的持續(xù)論證，團隊再次將受壓時的損傷比指數(shù)表達式簡化為帶4個經驗系數(shù)的變量，并結合常數(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擺放在辦公室里的“紅心”立體模型：“這是我們根據最終混凝土損傷比理論所表達的空間數(shù)學曲面，通過3D打印出來的模型。你看，它竟然是一個三面對稱的愛心形狀！根據我們的公式，可以計算出混凝土展現(xiàn)出塑性的‘點位’?！?/p>

團隊通過收集不同材料在三向荷載下的強度實驗數(shù)據并進行比較分析，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，團隊研發(fā)的損傷比理論還可分別簡化為巖土材料莫爾-庫倫強度經驗準則（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驗準則（1948年）。這使得損傷比理論逐步得到了國內外學者的認可。澳大利亞混凝土學會資深會員Sanjayan教授稱該理論為“損傷比強度理論”，并認為“損傷比取值有效”。

開發(fā)鋼管混凝土拉筋增強技術

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

“受到導師的一段親身經歷的啟發(fā)，我們想到了拉筋技術的優(yōu)化?！倍“l(fā)興說。

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

在院士指導下，丁發(fā)興帶領團隊開展了初步實驗、模型驗證、優(yōu)化分析與再次實驗驗證的多次循環(huán)論證，明確了拉筋構造形式，深入量化了拉筋的用量和使用部位。模型分析結果顯示，經過增強版的拉筋技術，拉筋鋼管混凝土柱在加強承載能力的同時，具備了阻尼器效果。將其用于建筑結構抗震時，結構耗能能力可提升40%-100%，這意味著建筑抗震安全度提升一個等級。

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。

團隊通過在實驗室抗震試驗、長沙西站和西安曲江文創(chuàng)中心超高層工程實測等多場景、多尺度條件下進行有效測試，進一步論證了合理的拉筋布局，除增強混凝土塑性外，還具備有效防止鋼管混凝土界面脫黏的效果。

“拉筋增強技術下的鋼管混凝土結構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，實現(xiàn)更高的高度與更大的跨度。而在相同性能時，可以減少鋼材與混凝土用量，使建設工程更經濟和低碳。