[作者:王鑫 方大丰 王昊昊] [来源:工人日报客户端] 2023-03-06 11:13:37
看似结实的混凝土，只要用强力去撞击，也会伴随着一阵灰尘而四分五裂，碎块也形状不一。
但你知道它破碎的规律是怎样的吗？23年前在中南大学读研时，丁发兴从书本上发现一个关于混凝土受压特性的“难题”。23年间，他顺着这个问题不断思考，并和团队进行了大量探索、研究，最终让这个“求学之问”画上了圆满句号。
他的答案便是损伤比强度理论。这一理论发现了材料力学基本性能的第三个参数——高压条件下脆性材料向塑性转变的基本参数，揭秘了工程材料破坏的原理，解决了200多年来材料破坏原理认识的这一世界性难题。
如果将混凝土的强度破坏规律制成三维图，正好呈现“爱心”形状。
书本上发现的“难题”
丁发兴如今是中南大学土木工程学院教授，其损伤比强度理论创立的故事，还要从2000年说起。
那一年秋，丁开始读研。其导师余志武教授课题组当时正开展钢管高性能混凝土柱受力性能研究。丁发兴进入课题组后，着手开展钢管高性能混凝土轴压短柱的理论分析。在查阅文献过程中，丁发兴发现圆钢管混凝土中混凝土具有明显的三轴受压特性，而这一点课题组的研究却未涉及到。
所谓三轴受压特性，就是对混凝土施加荷载时，都受到来自上下方向轴、左右方向轴和前后方向轴三个方向的压力，并产生收缩与膨胀等形变。
“我向导师请教，他鼓励我在没现成‘答案’时，更要自主学习解决问题。”丁发兴说。
混凝土三轴特性所涉及的就是材料强度理论，即研究复杂应力状态下材料是否破坏的理论，是工程结构强度分析的理论基础，在现代建筑、水利、交通、机械、航空等工程中具有重要应用意义。
科研人员对强度理论的探索与研究已超过200年。虽起步早，但对混凝土和岩石强度理论开展研究的热潮是在20 世纪70 年代，包括八面体强度理论、双剪强度理论和单剪强度理论等。但现有理论仍有许多不足，仅描述了实验层面破坏的现象和规律，没有说明材料破坏的原理。
要开展混凝土轴压短柱理论分析，就必须搞清楚材料破坏原理，把混凝土三轴特性“吃透”。经过深入研究，丁发兴发现了描述材料破坏的基本参数。这相当于已经产生了一个新的混凝土强度理论，但要把过程解释清楚才是最关键的。
▲丁发兴（右）和吴霞（左）开展混凝土抗剪实验。王昊昊 摄
揭秘材料由脆变塑“内幕”
一个材料在受到各种挤压、拉伸、碰撞等力的作用时，人们可以预判材料“被打”后的样子，却无法一睹材料“挨揍”的全过程、解释其原理。这是现有的强度理论之困。
得到材料破坏的基本参数后，丁发兴要做的是构建理论模型并给出求解过程。
传统方法认为，应力是应变的函数，应变是自变量，自变量也就无法分解。“倒着思考会怎样？”反复构想后，丁发兴有了新的基本假设：将材料总应变分为弹性应变和非弹性应变两部分，同时应力下总应变的横向变形效应也分为弹性应变的泊松效应和非弹性应变的损伤泊松效应两部分。
最终，他成功创建材料单元体相对耗能率计算模型，构建了损伤比强度理论和其通用计算公式。
丁发兴表示，混凝土等脆性材料具有单轴受压体积膨胀（导致压碎）和受拉体积收缩（导致拉断）两类特征。描述材料弹性阶段变形的经典参数有弹性模量和泊松比两个，目前尚未发现用来描述非弹性变形与破坏性能的参数。“我们发现了脆性材料非弹性应变的相对横向变形规律，将其命名为损伤比。”
在前期研究基础上，2019年以来，丁发兴教授团队博士生吴霞提出考虑罗德角和静水压力相互影响的受压损伤比表达式，也对不同应力路径下的损伤比参数取值进行实验验证，并且把原先仅用于普通混凝土的强度理论，扩展应用于轻骨料混凝土、纤维混凝土、岩石、铸铁以及正交异性金属等材料。
这种情况下，损伤比参数已不仅仅能够反映材料破坏规律，还能进一步反映高压条件下脆性材料体积膨胀减小从而导致脆性向塑性转变的规律，实现了脆性和塑性的统一，并由此获得上述各种材料的完整破坏包络面，它们看上去像各种形状的“爱心”。
直到此时，丁发兴团队才发现，他们找寻了20多年之久的材料破坏规律，其实是“爱心”的样子。
把受压的力“箍”起来
遇到超大地震时，建筑如何实现“巨震不倒”？
丁发兴表示，损伤比强度理论也可用来说明约束混凝土的工作原理，也就是箍筋约束下混凝土体积膨胀会有所减小，同时损伤比取值会减小，强度会提升，这时候混凝土脆性会向塑性转变。
为此，课题组发明了内拉筋钢管混凝土柱抗震技术，由拉筋直接约束混凝土进而提升其承载力和塑性，而钢管在外侧起抗弯的作用，这时建筑梁柱的刚度、承载力和塑性都很好，结构分析软件也更容易计算，因此把结构的抗震分析推进到了倒塌阶段，这个技术可以有效应对强地震作用和“巨震不倒”的抗震设计，使建筑的抗倒塌能力提升30至40%。
“这个过程其实就是用钢筋将混凝土柱箍起来，地震力作用下，压力越大，箍得越紧。箍的过程限制了混凝土体积的膨胀，从而提升了承载力并变成塑性，使抗破坏的性能更强。”丁发兴说，举重运动员系腰带其实就是这个原理，腰带能使腰部的承载力更高、更集中。
通过对损伤比强度理论的不断延伸，丁发兴课题组还提出地球“重力塑性耗能”学说，指出地球内部的地幔和地核物质处于液态或固态，是重力高压与塑性耗能引起高温的结果。“大陆漂移学说”和“板块构造学说”的动力机制此前并不明晰，丁发兴认为该机制以及地震和火山爆发的动力机制，是地球的“重力塑性耗能”与月亮太阳引潮力共同作用的结果。
目前，丁发兴课题组提出的损伤比强度理论，得到了不少国内外学者的认可和引用。欧洲科学院院士、《中国科学：物理学力学天文学》（英文版）编委刘锦茂认为，损伤比强度理论从传统强度理论中脱颖而出，用来解释脆性材料和金属塑性材料的破坏机理，有望夯实学界对脆性材料破坏机理的认识。
（工人日报客户端记者王鑫 方大丰 通讯员王昊昊 ）
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