具有构件化负泊松比钢格栅的钢筋混凝土柱约束机理

更强的柱体以保障建筑安全

现代建筑和桥梁依赖混凝土柱承载巨大的荷载，尤其在地震和极端事件中更是如此。然而混凝土较脆：一旦开裂，其承载力可能突然丧失。本文探索了一种通过在混凝土柱中嵌入具有特殊几何形状的钢格栅来提高柱体韧性和可靠性的新方法，这种格栅表现出反直觉的“负泊松比”行为——受压时横向变厚。其结果是形成一种复合柱，能够承受更高的荷载并以可控的方式变形，而不是突然破坏。

一种新型钢骨架

研究者从一种由重复“蝴蝶结”单元构成的三维钢框架入手，这种格栅的几何形状赋予它负泊松比。不同于在受压时向外凸起的常规材料，这种负泊松比格栅在纵向缩短时会向内拉拢侧向。通过金属3D打印，他们制造了类似柱状的高耸格栅，并将其置入水泥基砂浆中铸造，形成尺寸和纵横比类似于实际结构柱的加固棱柱体。格栅在上下支座处略微增密和增刚，使损伤优先发生在柱的中部，便于研究并与传统约束方法进行公平比较。

新型柱在挤压荷载下的表现

为了观察这些负泊松比柱的性能，团队先对普通砂浆试件进行压碎试验，然后对含格栅的柱体在逐渐增大的轴向荷载下测试。受约束的柱比未加筋砂浆的抗压强度高出三倍以上，并且各次试验的应力—应变曲线非常一致。随着荷载增加，薄薄的外覆砂浆层出现裂缝并剥落，但被格栅包裹的芯部仍然受到有效约束。柱体最终沿着清晰的倾斜剪切面破坏，侧面几乎没有松散材料掉落。这表明几乎整个砂浆芯体都参与了承载，而不是像许多传统加固柱那样只有内层有限区域发挥作用。

抵抗重复荷载与损伤

现实中的柱子不仅面临一次性过载，还要承受地震或重载交通造成的反复循环荷载。因此作者还对额外的负泊松比柱进行了受控的加载—卸载循环试验，逐步提高峰值荷载直至破坏。这些试件达到了比单次加载更高的强度，并表现出对刚度损失的显著抵抗力。在外覆层开裂并稳定的初始调节阶段之后，柱体在多次循环中维持了大部分刚度，即使进入产生不可逆变形的非弹性区也如此。密集互连的格栅几何能将损伤分散，防止混凝土芯的大面积失效，使结构能够安全地持续承载荷载。

为何负泊松比格栅胜过传统箍筋

为理解该体系为何表现优异，团队使用详尽的计算机模拟将负泊松比格栅与混凝土内的传统钢箍进行比较。在传统柱中，混凝土芯的侧向压力只有在混凝土向外膨胀并拉伸箍筋后才逐渐建立，而且一旦箍筋断裂，约束效应大部分丧失。相比之下，负泊松比格栅在受压时主动增加侧向压力：其倾斜杆件发生旋转并向内拉拢混凝土，提升内部的静水压力，这种压力能使脆性材料更强且更具延性。模拟显示，在相同总钢量下，这一效应可将砂浆试件的峰值强度提升约85％、普通强度混凝土提升约61％，远高于常规设计公式的预期。格栅还提高了抗剪性能，这对必须承受弯曲和横向力的柱体尤为关键。

从实验室洞见到设计工具

基于这些实验和模拟，作者将经典的钢筋混凝土约束理论扩展并适配到这类新型构件化材料上。他们推导出简单表达式，预测负泊松比约束柱在屈服和极限承载时可承受的额外荷载，这些公式把格栅角度和实际参与约束的芯体比例等几何特征纳入考量。在与自身试验和既有基准数据对比时，这些公式平均误差仅为几个百分点。对非专业读者而言，结论是工程师现在既掌握了一种有前景的物理技术——在混凝土中置入3D打印的负泊松比钢骨架——也有了实用的数学框架来进行设计。两者结合显示出未来的柱体可以更轻、更韧，并且在地震及其他极端工况下更具抗灾能力。

引用: Vitalis, T., Gerasimidis, S. Mechanics of reinforced concrete column confinement with architected auxetic steel lattices. npj Metamaterials 2, 13 (2026). https://doi.org/10.1038/s44455-026-00023-y

关键词: 负泊松比格栅, 钢筋混凝土柱, 构件化超材料, 结构约束, 金属3D打印钢筋