大家都知道，给建筑物抗震加“肌肉”，混凝土可是关键。在内蒙古金山热电厂，那可是地处8度抗震设防区的重地。这里矗立着一座高达195米的冷却塔，底部那些斜着支撑的柱子里头，灌注的可不是普通的材料，是一种特制的钢管混凝土柱。这种柱子跟咱们平时见到的不一样，里头塞进去了中南大学丁发兴教授团队自己琢磨出来的拉筋增强技术。经过现场测试、小模型实验还有大模型分析，发现用了这个法子，柱子抗震能力硬是提高了40%，直接超过了国家标准里9度设防的最高要求。 最近在中南大学天心校区土木工程学院的一间办公室里，丁发兴跟记者唠嗑的时候说，“把这个理论研究变成工程上能用的技术，我们团队可是花了足足20多年时间。”你想啊，钢管混凝土柱就是外面包层铁皮管子、里面填满水泥的玩意儿，咱们国内那些超高层大楼、高铁站房还有机场航站楼这类大跨度的建筑都离不开它。地震来了的时候，外面的铁皮因为软乎劲儿大，可以当减震器吸走震动的能量；可里面的水泥因为脆得很，根本就没办法干活儿。所以为了让楼站得更稳当，以前通常都是在外面专门加装一堆减震装置。 话说到2000年9月的时候，丁发兴刚进中南大学读博，导师正是中国工程院院士余志武。有一次他做实验往水泥块上使劲压的时候发现，水泥块坏得变形的时候，不管是往上还是往两边都有点软绵绵的样子。虽说以前大家都知道要是从三个方向使劲压水泥，强度能蹭蹭往上涨并且显得特别有弹性，但一百多年过去了，学界对于材料到底是脆了断掉还是软了变形这两种结局，还都只是停留在“强度公式”这种经验总结上。 那次实验之后，丁发兴就想把水泥变软的过程用公式写清楚。因为一旦公式出来了，就能帮建筑物在地震的时候自己产生更多的减震效果。基于实验现象，他先提出了横向和纵向的变化其实都可以分成弹性和塑性两种变形的假设。他还琢磨道，传统计算阻尼耗能的办法不太好算这种拉压不一样的材料属性。 不到一年时间，他通过数学推导找到了个新路子，定名为“损伤比理论”。但这个理论里有个最关键的东西——叫“损伤比指数”，光靠公式可没法直接写出来。为了把这个系数算出来让更多人都能用得上，工作以后的丁发兴拉了一帮人继续搞研究。 没想到这一搞就是整整20年。通过不停地争论和试验，团队最后把受压时的损伤比指数简化成了带4个经验系数的变量组合，再加上受拉时的那个指数，终于凑出了个相对靠谱的模型。他告诉记者：“‘损伤比理论’能解释高压下本来脆得很的东西（像水泥、石头）为什么会变成软乎乎的物理现象。” 他还指着桌子上的一个立体模型给记者看：“这是我们用公式里表达的那个空间曲面打印出来的东西。你看它是个三面对称的爱心形状！根据咱们的公式就能算出水泥具体在哪个点变软。”团队收集了好多材料在三个方向受力的数据做对比分析后发现，这套理论不光能用在普通水泥上，海水海砂混着珊瑚礁做的水泥也行，连岩石、黄土、冻土这些地球上的土料和沥青路面、铸铁这些东西都适用。 有了这套理论之后，丁发兴团队就琢磨着咋把水泥的这种弹性行为用到盖房子上来。“受我导师的一段亲身经历启发，我们想到了可以把拉筋技术再优化一下。”他回忆说。2000年前后修的台湾省台北101大厦当时用了内拉筋的做法去防止矩形钢管鼓曲变形。余志武教授之前去现场看过的。 按照导师的指点，丁发兴带着团队做了好多小实验和模型来验证效果，最后把拉筋的形状、放多少量还有放哪儿都给定量算清楚了。结果显示：这种升级版的拉筋钢管柱子不仅能承受更重的东西站得更稳当（承载能力增强），还自带了减震器的效果。把它用在楼房的抗震设计上能让结构吸走更多震动能量（耗能能力提升40%—100%），这也就相当于给楼房加了一道安全防线。 再说个细节：钢材热胀冷缩特性明显（容易膨胀），而混凝土呢冷缩热胀（容易收缩）。所以时间长了钢管和水泥之间那层“界面”容易脱胶分家（影响承载和抗震）。为了解决这个问题，团队在实验室里的抗震试验、长沙西站还有西安曲江文创中心这些地方都做过实测验证，这才找出了最合理的拉筋怎么布置才好。 最后他解释道：“用了这种拉筋增强技术的钢管结构还能提高材料的利用效率。”意思是同样的一栋楼用上这种技术以后就可以造得更高、跨度更大；或者说造得跟以前一样结实的时候，就能少用点钢材和水泥，让工程既省钱又低碳环保。