本發明涉及鋼筋混凝土結構，特別涉及一種具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元及鋼筋混凝土。

背景技術：

1、服役環境下的鋼筋混凝土結構面臨不同類型沖擊性載荷作用，例如：船舶撞擊橋墩、機場跑道承受飛機降落的沖擊、海洋平臺承受海浪的沖擊等。混凝土材料強度低、脆性大、易開裂，目前在提升混凝土抗沖擊性能方面的研究主要通過增強混凝土基體的強度與添加鋼纖維等韌性材料兩種技術手段。近年來，負泊松比超材料結構在抗壓縮、抗剪切、抗沖擊性能方面具有明顯優勢。現有技術中，負泊松比鋼筋混凝土/水泥的基本結構為內凹六邊形，在軸向沖擊或壓縮載荷作用下，負泊松比結構設計導致材料產生橫向聚集效應，可局部強化鋼筋混凝土結構的強度與剛度，從而提升其整體的抗壓縮與抗沖擊性能。然而，內凹六邊形的尖角設計會在連接區域產生應力集中現象，嚴重降低初始峰值力的大小，未充分發揮負泊松比結構的性能優勢。且內凹六邊形結構還具有橫縱方向性能相差大，應力集中嚴重導致耐久度差等問題。目前，針對用于承重體等建筑結構的鋼筋混凝土的配筋設計主要側重于配筋率與強度控制，對鋼筋的特殊形態與排列形式關注較少。因此，亟需一種低應力集中的具有負泊松比效應的鋼筋骨架單元和鋼筋混凝土，以最大限度發揮其抗壓縮與抗沖擊性能。

技術實現思路

1、針對以上現有技術存在的問題，本發明第一方面提供了一種具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元。本發明第二方面提供了一種具有低應力集中的負泊松比鋼筋混凝土。本發明的鋼筋骨架單元具有正弦曲線結構，減少了鋼筋尖角區域的應力集中，將其應用到混凝土建筑領域，能提高整體結構的穩定性和耐久度。具體通過以下技術實現。

2、本發明第一方面提供一種具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，所述鋼筋骨架單元由x、y和z方向上排列的鋼筋綁扎而成，所述鋼筋具有正弦曲線的鋼筋，所述正弦曲線方程如下：

3、；

4、式中，a為正弦曲線的振幅；l為x、y或z方向排列的相鄰鋼筋的波峰和波峰之間的距離。

5、本發明提出了一種新型的具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，該骨架單元還具有負泊松比效應。本發明采用正弦曲線結構的鋼筋，并通過預制骨架法制備成包含有x、y和z方向排列的鋼筋（可根據實際情況分為主筋和箍筋）的鋼筋骨架單元后，再與混凝土復合，形成具有低應力集中同時具有負泊松比效應的鋼筋混凝土。該混凝土在受到軸向沖擊或壓縮載荷作用時會發生橫向聚集效應，從而提升了其抗壓縮和抗沖擊的性能。本發明的鋼筋創造性的引入了新型正弦曲線結構，從而避免了鋼筋骨架單元出現尖角區域的應力集中現象，提高了整體結構的抗壓縮和抗沖擊性能。

6、進一步地，所述a與l的比值為(0.1-0.25):1。

7、更進一步地，所述a與l的比值為0.158:1。

8、具體地，所述a為15mm，所述l為95.2mm。

9、進一步地，x方向排列的相鄰所述鋼筋形狀，對應的所述正弦曲線的相位差為π或0；y方向拍了的相鄰所述鋼筋形狀，對應的所述正弦曲線的相位差為π或0；z方向排列的相鄰所述鋼筋形狀，對應的所述正弦曲線的相位差為π或0。

10、更進一步地，x、y、z方向排列的相鄰所述鋼筋形狀對應的所述正弦曲線的相位差為π時，相鄰所述鋼筋之間的最窄距離為所述l的0.1-0.25倍。

11、進一步地，x方向排列的相鄰所述鋼筋形狀的所述正弦曲線所在平面的夾角為α，y方向排列的相鄰所述鋼筋形狀對應的所述正弦曲線所在平面的夾角為β，z方向排列的相鄰所述鋼筋形狀對應的所述正弦曲線所在平面的夾角為γ，α、β、γ=0-90°。

12、進一步地，所述x、y和z方向排列的鋼筋的綁扎點交匯為一點。

13、本發明第二方面提供一種具有低應力集中的負泊松比鋼筋混凝土，由上述具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元澆筑混凝土后組成。

14、普通材料在受到縱向拉應力作用時會出現細頸現象，其泊松比為正值。而負泊松比材料，即拉脹材料，形變則相反。本發明的鋼筋混凝土是采用具有負泊松比效應的鋼筋骨架單元，與混凝土復合后得到的。因此本發明的鋼筋混凝土具有負泊松比效應，負泊松比混凝土受拉伸時在彈性范圍內橫向會發生膨脹，受壓縮時橫向反而發生收縮，因此本發明的混凝土可大大吸收外部的能量，具有很好的抗壓縮和抗沖擊性能。

15、可選地，混凝土原料包括水泥、砂、減水劑和水，其中，水泥、砂和水的質量比為1:2:0.5；減水劑摻量為膠凝材料質量的0.5%。

16、由于本發明的鋼筋混凝土還具有負泊松比效應，依據負泊松比的變形特性，本發明的鋼筋混凝土在受到軸向沖擊或壓縮載荷作用時會發生橫向聚集效應，提升了其抗壓縮和抗沖擊性能。這有助于提高鋼筋混凝土承重體的抗震、抗風、抗爆炸等能力，同時增強其安全性，延長使用壽命，降低維護和修繕成本。

17、與現有技術相比，本發明的有益之處在于：

18、1、本發明的鋼筋骨架單元由具有正弦曲線結構的鋼筋制備而成，不僅具有負泊松比效應，同時可有效避免應力集中嚴重的問題，改善其耐久度性能；

19、2、本發明的鋼筋混凝土采用了具有低應力集中和負泊松比效應的鋼筋骨架，即使使用最簡單的混凝土配料，也可明顯降低鋼筋混凝土的最大應力；改善了混凝土的耐久性和使用壽命；

20、3、本發明的鋼筋骨架單元和鋼筋混凝土有助于提高混凝土承重體的抗震、抗風、抗爆炸等性能，增強了混凝土建筑的安全性，同時延長了混凝土建筑的使用壽命，降低維護和修繕混凝土建筑的成本。

技術特征：

1.一種具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，其特征在于，所述鋼筋骨架單元由兩兩互相垂直的x、y和z方向排列的鋼筋綁扎而成，所述鋼筋的形狀符合正弦曲線的形狀，所述正弦曲線的方程如下：

2.根據權利要求1所述的具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，其特征在于，所述a與l的比值為(0.1-0.25):1。

3.根據權利要求1所述的具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，其特征在于，所述a與l的比值為0.158:1。

4.根據權利要求3所述的具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，其特征在于，所述a為15mm，所述l為95.2mm。

5.根據權利要求1所述的具有低應力集中的鋼筋骨架單元，其特征在于，x方向排列的相鄰所述鋼筋形狀，對應的所述正弦曲線的相位差為π或0；y方向排列的相鄰所述鋼筋形狀，對應的所述正弦曲線的相位差為π或0；z方向排列的相鄰所述鋼筋形狀，對應的所述正弦曲線的相位差為π或0。

6.根據權利要求5所述的具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，其特征在于，當x、y、z方向排列的相鄰所述鋼筋形狀對應的所述正弦曲線的相位差為π時，相鄰所述鋼筋之間的最窄距離為所述l的0.1-0.25倍。

7.根據權利要求5所述的具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，其特征在于，x方向排列的相鄰所述鋼筋形狀的所述正弦曲線所在平面的夾角為α，y方向排列的相鄰所述鋼筋形狀對應的所述正弦曲線所在平面的夾角為β，z方向排列的相鄰所述鋼筋形狀對應的所述正弦曲線所在平面的夾角為γ；α、β、0＜γ≤90°。

8.根據權利要求5所述的具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，其特征在于，所述x、y和z方向排列的鋼筋的綁扎點交匯為一點。

9.一種具有低應力集中的負泊松比鋼筋混凝土，其特征在于，由權利要求1-8任一項所述的鋼筋骨架單元澆筑混凝土后組成。

技術總結
本發明公開了一種具有低應力集中的負泊松比鋼筋骨架單元，屬于鋼筋混凝土結構技術領域。本發明的鋼筋骨架單元由兩兩互相垂直的x、y和z方向上的鋼筋綁扎而成，所述x、z方向上的鋼筋具有正弦曲線的鋼筋，所述正弦曲線方程如下：，式中，A為正弦曲線的振幅；L為y方向上的鋼筋之間距離的一半。本發明的鋼筋骨架單元具有典型的負泊松比效應，同時有效緩解了應力集中，顯著提高了鋼筋混凝土的抗壓縮和抗沖擊性能。

技術研發人員：雷永鵬,王輝,李昂,劉睿鵬,王丹,董勤喜
受保護的技術使用者：海南大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28