工人日報-中工網(wǎng)記者 王鑫 方大豐 通訊員 王昊昊
【資料圖】
看似結(jié)實的混凝土，只要用強力去撞擊，也會伴隨著一陣灰塵而四分五裂，碎塊也形狀不一。
但你知道它破碎的規(guī)律是怎樣的嗎？23年前在中南大學(xué)讀研時，丁發(fā)興從書本上發(fā)現(xiàn)一個關(guān)于混凝土受壓特性的“難題”。23年間，他順著這個問題不斷思考，并和團隊進(jìn)行了大量探索、研究，最終讓這個“求學(xué)之問”畫上了圓滿句號。
他的答案便是損傷比強度理論。這一理論發(fā)現(xiàn)了材料力學(xué)基本性能的第三個參數(shù)——高壓條件下脆性材料向塑性轉(zhuǎn)變的基本參數(shù)，揭秘了工程材料破壞的原理，解決了200多年來材料破壞原理認(rèn)識的這一世界性難題。
如果將混凝土的強度破壞規(guī)律制成三維圖，正好呈現(xiàn)“愛心”形狀。
書本上發(fā)現(xiàn)的“難題”
丁發(fā)興如今是中南大學(xué)土木工程學(xué)院教授，其損傷比強度理論創(chuàng)立的故事，還要從2000年說起。
那一年秋，丁開始讀研。其導(dǎo)師余志武教授課題組當(dāng)時正開展鋼管高性能混凝土柱受力性能研究。丁發(fā)興進(jìn)入課題組后，著手開展鋼管高性能混凝土軸壓短柱的理論分析。在查閱文獻(xiàn)過程中，丁發(fā)興發(fā)現(xiàn)圓鋼管混凝土中混凝土具有明顯的三軸受壓特性，而這一點課題組的研究卻未涉及到。
所謂三軸受壓特性，就是對混凝土施加荷載時，都受到來自上下方向軸、左右方向軸和前后方向軸三個方向的壓力，并產(chǎn)生收縮與膨脹等形變。
“我向?qū)熣埥蹋膭钗以跊]現(xiàn)成‘答案’時，更要自主學(xué)習(xí)解決問題。”丁發(fā)興說。
混凝土三軸特性所涉及的就是材料強度理論，即研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料是否破壞的理論，是工程結(jié)構(gòu)強度分析的理論基礎(chǔ)，在現(xiàn)代建筑、水利、交通、機械、航空等工程中具有重要應(yīng)用意義。
科研人員對強度理論的探索與研究已超過200年。雖起步早，但對混凝土和巖石強度理論開展研究的熱潮是在20 世紀(jì)70 年代，包括八面體強度理論、雙剪強度理論和單剪強度理論等。但現(xiàn)有理論仍有許多不足，僅描述了實驗層面破壞的現(xiàn)象和規(guī)律，沒有說明材料破壞的原理。
要開展混凝土軸壓短柱理論分析，就必須搞清楚材料破壞原理，把混凝土三軸特性“吃透”。經(jīng)過深入研究，丁發(fā)興發(fā)現(xiàn)了描述材料破壞的基本參數(shù)。這相當(dāng)于已經(jīng)產(chǎn)生了一個新的混凝土強度理論，但要把過程解釋清楚才是最關(guān)鍵的。
丁發(fā)興（右）和吳霞（左）開展混凝土抗剪實驗。王昊昊 攝
揭秘材料由脆變塑“內(nèi)幕”
一個材料在受到各種擠壓、拉伸、碰撞等力的作用時，人們可以預(yù)判材料“被打”后的樣子，卻無法一睹材料“挨揍”的全過程、解釋其原理。這是現(xiàn)有的強度理論之困。
得到材料破壞的基本參數(shù)后，丁發(fā)興要做的是構(gòu)建理論模型并給出求解過程。
傳統(tǒng)方法認(rèn)為，應(yīng)力是應(yīng)變的函數(shù)，應(yīng)變是自變量，自變量也就無法分解。“倒著思考會怎樣？”反復(fù)構(gòu)想后，丁發(fā)興有了新的基本假設(shè)：將材料總應(yīng)變分為彈性應(yīng)變和非彈性應(yīng)變兩部分，同時應(yīng)力下總應(yīng)變的橫向變形效應(yīng)也分為彈性應(yīng)變的泊松效應(yīng)和非彈性應(yīng)變的損傷泊松效應(yīng)兩部分。
最終，他成功創(chuàng)建材料單元體相對耗能率計算模型，構(gòu)建了損傷比強度理論和其通用計算公式。
丁發(fā)興表示，混凝土等脆性材料具有單軸受壓體積膨脹（導(dǎo)致壓碎）和受拉體積收縮（導(dǎo)致拉斷）兩類特征。描述材料彈性階段變形的經(jīng)典參數(shù)有彈性模量和泊松比兩個，目前尚未發(fā)現(xiàn)用來描述非彈性變形與破壞性能的參數(shù)。“我們發(fā)現(xiàn)了脆性材料非彈性應(yīng)變的相對橫向變形規(guī)律，將其命名為損傷比。”
在前期研究基礎(chǔ)上，2019年以來，丁發(fā)興教授團隊博士生吳霞提出考慮羅德角和靜水壓力相互影響的受壓損傷比表達(dá)式，也對不同應(yīng)力路徑下的損傷比參數(shù)取值進(jìn)行實驗驗證，并且把原先僅用于普通混凝土的強度理論，擴展應(yīng)用于輕骨料混凝土、纖維混凝土、巖石、鑄鐵以及正交異性金屬等材料。
這種情況下，損傷比參數(shù)已不僅僅能夠反映材料破壞規(guī)律，還能進(jìn)一步反映高壓條件下脆性材料體積膨脹減小從而導(dǎo)致脆性向塑性轉(zhuǎn)變的規(guī)律，實現(xiàn)了脆性和塑性的統(tǒng)一，并由此獲得上述各種材料的完整破壞包絡(luò)面，它們看上去像各種形狀的“愛心”。
直到此時，丁發(fā)興團隊才發(fā)現(xiàn)，他們找尋了20多年之久的材料破壞規(guī)律，其實是“愛心”的樣子。
把受壓的力“箍”起來
遇到超大地震時，建筑如何實現(xiàn)“巨震不倒”？
丁發(fā)興表示，損傷比強度理論也可用來說明約束混凝土的工作原理，也就是箍筋約束下混凝土體積膨脹會有所減小，同時損傷比取值會減小，強度會提升，這時候混凝土脆性會向塑性轉(zhuǎn)變。
為此，課題組發(fā)明了內(nèi)拉筋鋼管混凝土柱抗震技術(shù)，由拉筋直接約束混凝土進(jìn)而提升其承載力和塑性，而鋼管在外側(cè)起抗彎的作用，這時建筑梁柱的剛度、承載力和塑性都很好，結(jié)構(gòu)分析軟件也更容易計算，因此把結(jié)構(gòu)的抗震分析推進(jìn)到了倒塌階段，這個技術(shù)可以有效應(yīng)對強地震作用和“巨震不倒”的抗震設(shè)計，使建筑的抗倒塌能力提升30至40%。
“這個過程其實就是用鋼筋將混凝土柱箍起來，地震力作用下，壓力越大，箍得越緊。箍的過程限制了混凝土體積的膨脹，從而提升了承載力并變成塑性，使抗破壞的性能更強。”丁發(fā)興說，舉重運動員系腰帶其實就是這個原理，腰帶能使腰部的承載力更高、更集中。
通過對損傷比強度理論的不斷延伸，丁發(fā)興課題組還提出地球“重力塑性耗能”學(xué)說，指出地球內(nèi)部的地幔和地核物質(zhì)處于液態(tài)或固態(tài)，是重力高壓與塑性耗能引起高溫的結(jié)果。“大陸漂移學(xué)說”和“板塊構(gòu)造學(xué)說”的動力機制此前并不明晰，丁發(fā)興認(rèn)為該機制以及地震和火山爆發(fā)的動力機制，是地球的“重力塑性耗能”與月亮太陽引潮力共同作用的結(jié)果。
目前，丁發(fā)興課題組提出的損傷比強度理論，得到了不少國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可和引用。歐洲科學(xué)院院士、《中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)》（英文版）編委劉錦茂認(rèn)為，損傷比強度理論從傳統(tǒng)強度理論中脫穎而出，用來解釋脆性材料和金屬塑性材料的破壞機理，有望夯實學(xué)界對脆性材料破壞機理的認(rèn)識。
關(guān)鍵詞： 強度理論 脆性材料 彈性應(yīng)變
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