在内蒙古金山热电厂,一座高195米的冷却塔稳稳矗立于8度抗震设防区。
这座建筑物的抗震性能远超常规标准,其核心秘密藏在下部斜交支撑结构中——一种应用了拉筋增强技术的特殊钢管混凝土柱。
经现场测试与模型分析验证,该技术使建筑整体抗震能力提升40%,达到高于国家9度抗震设防最高等级的水平。
这项突破性技术源自中南大学土木工程学院丁发兴教授团队二十余年的持续攻关。
从理论探索到工程应用,研究团队走过了一条漫长而艰辛的创新之路。
传统认知中,混凝土因其脆性特征,在地震中难以像钢材那样发挥阻尼耗能作用。
长期以来,提升建筑抗震性能主要依靠增设专门的阻尼装置,这不仅增加建设成本,也限制了结构设计的灵活性。
如何让混凝土自身具备塑性变形能力,成为土木工程领域的重要课题。
2000年9月,刚入读中南大学的丁发兴在导师余志武院士指导下开展混凝土受压实验时,敏锐捕捉到一个被忽视的现象:混凝土在压碎破坏过程中,纵向和横向变形均呈现出微量塑性行为。
尽管此前已有实验证实三向受压下混凝土会表现出明显塑性特征,但百年来学界对材料脆性断裂与塑性屈服的认识仍停留在经验公式层面,缺乏精确的理论支撑。
丁发兴提出大胆假设:横向和纵向变形均可分解为弹性与塑性两部分。
考虑到混凝土抗压强度高、抗拉强度低的显著特点,他摒弃了传统塑性耗能率计算模型,创新性地采用相对耗能率计算方法。
经过近一年的数学推导,他建立了新强度理论的基础表达式,并命名为"损伤比理论"。
然而,理论公式中最关键的参数——反映材料在不同受力状态下破坏模式的"损伤比指数",其表达式的推导却异常艰难。
工作后组建团队的丁发兴,带领成员持续攻关二十年。
团队通过大量实验与论证,将受压损伤比指数简化为含4个经验系数的变量表达式,结合受拉损伤比指数,最终形成相对成熟的理论模型。
这一理论的突破意义在于,它首次从数学层面精确解释了高压下脆性材料向塑性状态转变的物理机制。
更令人惊喜的是,根据理论公式绘制的三维数学曲面呈现出三面对称的心形结构,这一优美的几何形态恰好对应着混凝土展现塑性的临界状态。
理论验证显示,损伤比理论不仅适用于普通混凝土,还可推广至海水海砂珊瑚礁混凝土等新型材料,以及岩石、黄土、冻土等自然材料,甚至包括沥青路面和铸铁等工程材料,具有广泛的应用前景。
在理论突破基础上,团队着手将研究成果转化为工程技术。
受余志武院士在台北101大厦施工现场考察经历的启发,丁发兴团队对钢管混凝土内拉筋技术进行了创新性优化。
传统拉筋主要用于防止矩形钢管在混凝土浇筑时发生鼓曲变形,而团队开发的拉筋增强技术则充分利用损伤比理论,通过优化拉筋布置方式和参数设计,显著提升了钢管混凝土柱的塑性变形能力和耗能性能。
这项技术在内蒙古金山热电厂冷却塔等工程中的成功应用,标志着我国在建筑抗震领域取得重要进展。
相比传统做法,新技术不仅提升了结构安全性能,还可减少专门阻尼装置的使用,降低建设成本,为超高层建筑、大型高铁站房和机场航站楼等重大工程提供了更优的技术方案。
抗震能力的提升，既依赖宏观结构体系优化，也离不开材料与构造细节的“微创新”。
从基础理论对材料破坏机理的追问，到工程现场的反复验证与落地应用，拉筋增强钢管混凝土柱的实践表明：把科研成果扎扎实实写在重大工程里，才能将“看不见的韧性”转化为守护安全的确定性，并为我国高烈度区重大工程建设提供更可靠的技术支撑。