在地處8度抗震設防區的內蒙古金山熱電廠，矗立著一座高達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。
與平時使用的鋼管混凝土柱不同，這種特殊的鋼管混凝土柱應用了中南大學教授丁發興團隊自主研發的拉筋增強技術。現場原位測試、縮尺構件實驗驗證與整體結構模型分析顯示，使用了這一技術的鋼管混凝土柱，使得建筑體抗震能力提高了40%，抗震能力高于國家標準9度抗震設防最高等級。
“從理論研究到將技術應用在鋼管混凝土柱中，我們花費了20多年時間。”近日，在中南大學天心校區土木工程學院一間辦公室里，丁發興對記者說。
推演混凝土可“塑”理論公式
鋼管混凝土柱由外層鋼管和內部填充的混凝土組合而成，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。
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，如果要提高建筑物體的抗震能力，往往需為建筑物添加阻尼器來增加其抗震性能。
2000年9月，丁發興入讀中南大學，師從中國工程院院士、中南大學教授余志武。在開展一項混凝土單方向受壓實驗時，他注意到在混凝土因受力增大而被壓碎破壞的過程中，其在縱向和橫向變形中都呈現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，我想嘗試推導出混凝土呈現塑性的精確公式。因為混凝土呈現塑性時，建筑體自身的抗震‘阻尼’效果將大幅提升。”他說。
基于實驗，丁發興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。考慮到混凝土具有抗壓強度高、抗拉強度低的特點，丁發興認為，傳統塑性耗能率計算模型難以有效反映其拉壓差異的影響，因此，他改用相對耗能率計算模型。
不到1年時間，丁發興通過簡潔的數學推導，創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，即反映材料不同受力狀態下，不同破壞模式的“損傷比指數”，卻很難以公式的形式表述。
為推演出廣適的“損傷比指數”表達式，工作后的丁發興，組建了自己的團隊，繼續開展相關攻關。不想，一干就是20年。
通過持續論證，團隊將受壓時的損傷比指數表達式簡化為帶4個經驗系數的變量，并結合受拉損傷比指數，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）轉變為塑性狀態的物理現象。”丁發興說。
丁發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學曲面，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出塑性的‘點位’。”
團隊通過收集不同材料在三向荷載下的強度實驗數據并進行比較分析，發現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型混凝土，巖石、黃土、凍土等地球表面的自然材料，以及瀝青路面、鑄鐵等。
開發鋼管混凝土拉筋增強技術
在獲得了損傷比理論后，丁發興團隊開始考慮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啟發，我們想到了拉筋技術的優化。”丁發興說。
2000年前后建設的臺灣省臺北101大廈，采用了鋼管混凝土內拉筋做法。余志武曾在該大廈施工現場參觀。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。
在導師指導下，丁發興帶領團隊開展了初步實驗、模型驗證、優化分析與再次實驗驗證的多次循環論證，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，通過運用增強版的拉筋技術，拉筋鋼管混凝土柱不僅承載能力增強，且具備了阻尼器效果。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，鋼管與混凝土之間的“界面”容易脫黏，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。
“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。”丁發興解釋，相同建筑在拉筋加持下，將可承受更重的荷載，實現更高的高度與更大的跨度。而在相同性能時，其可以減少鋼材與混凝土用量，使建設工程更經濟和低碳。
