看似結(jié)實(shí)的混凝土，只要用強(qiáng)力去撞擊，也會(huì)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(shí)，丁發(fā)興從書(shū)本上發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)于混凝土受壓特性的“難題”。23年間，他順著這個(gè)問(wèn)題不斷思考，并和團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量探索、研究，最終讓這個(gè)“求學(xué)之問(wèn)”畫(huà)上了圓滿句號(hào)。
他的答案便是損傷比強(qiáng)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(gè)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(lái)材料破壞原理認(rèn)識(shí)的這一世界性難題。
如果將混凝土的強(qiáng)度破壞規(guī)律制成三維圖，正好呈現(xiàn)“愛(ài)心”形狀。
書(shū)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(qiáng)度理論創(chuàng)立的故事，還要從2000年說(shuō)起。
那一年秋，丁開(kāi)始讀研。其導(dǎo)師余志武教授課題組當(dāng)時(shí)正開(kāi)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(kāi)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(guò)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(diǎn)課題組的研究卻未涉及到。
所謂三軸受壓特性，就是對(duì)混凝土施加荷載時(shí)，都受到來(lái)自上下方向軸、左右方向軸和前后方向軸三個(gè)方向的壓力，并產(chǎn)生收縮與膨脹等形變。
“我向?qū)熣?qǐng)教，他鼓勵(lì)我在沒(méi)現(xiàn)成‘答案’時(shí)，更要自主學(xué)習(xí)解決問(wèn)題。”丁發(fā)興說(shuō)。
混凝土三軸特性所涉及的就是材料強(qiáng)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(qiáng)度分析的理論基礎(chǔ)，在現(xiàn)代建筑、水利、交通、機(jī)械、航空等工程中具有重要應(yīng)用意義。
科研人員對(duì)強(qiáng)度理論的探索與研究已超過(guò)200年。雖起步早，但對(duì)混凝土和巖石強(qiáng)度理論開(kāi)展研究的熱潮是在20 世紀(jì)70 年代，包括八面體強(qiáng)度理論、雙剪強(qiáng)度理論和單剪強(qiáng)度理論等。但現(xiàn)有理論仍有許多不足，僅描述了實(shí)驗(yàn)層面破壞的現(xiàn)象和規(guī)律，沒(méi)有說(shuō)明材料破壞的原理。
要開(kāi)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(guò)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(gè)新的混凝土強(qiáng)度理論，但要把過(guò)程解釋清楚才是最關(guān)鍵的。
丁發(fā)興（右）和吳霞（左）開(kāi)展混凝土抗剪實(shí)驗(yàn)。王昊昊 攝
揭秘材料由脆變塑“內(nèi)幕”
一個(gè)材料在受到各種擠壓、拉伸、碰撞等力的作用時(shí)，人們可以預(yù)判材料“被打”后的樣子，卻無(wú)法一睹材料“挨揍”的全過(guò)程、解釋其原理。這是現(xiàn)有的強(qiáng)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(guò)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(wú)法分解?！暗怪伎紩?huì)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(shí)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(duì)耗能率計(jì)算模型，構(gòu)建了損傷比強(qiáng)度理論和其通用計(jì)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(gè)，目前尚未發(fā)現(xiàn)用來(lái)描述非彈性變形與破壞性能的參數(shù)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)了脆性材料非彈性應(yīng)變的相對(duì)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(lái)，丁發(fā)興教授團(tuán)隊(duì)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(duì)不同應(yīng)力路徑下的損傷比參數(shù)取值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且把原先僅用于普通混凝土的強(qiáng)度理論，擴(kuò)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(shí)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(ài)心”。
直到此時(shí)，丁發(fā)興團(tuán)隊(duì)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(shí)是“愛(ài)心”的樣子。
把受壓的力“箍”起來(lái)
遇到超大地震時(shí)，建筑如何實(shí)現(xiàn)“巨震不倒”？
丁發(fā)興表示，損傷比強(qiáng)度理論也可用來(lái)說(shuō)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(huì)有所減小，同時(shí)損傷比取值會(huì)減小，強(qiáng)度會(huì)提升，這時(shí)候混凝土脆性會(huì)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(shí)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(jì)算，因此把結(jié)構(gòu)的抗震分析推進(jìn)到了倒塌階段，這個(gè)技術(shù)可以有效應(yīng)對(duì)強(qiáng)地震作用和“巨震不倒”的抗震設(shè)計(jì)，使建筑的抗倒塌能力提升30至40%。
“這個(gè)過(guò)程其實(shí)就是用鋼筋將混凝土柱箍起來(lái)，地震力作用下，壓力越大，箍得越緊。箍的過(guò)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(qiáng)?！倍“l(fā)興說(shuō)，舉重運(yùn)動(dòng)員系腰帶其實(shí)就是這個(gè)原理，腰帶能使腰部的承載力更高、更集中。
通過(guò)對(duì)損傷比強(qiáng)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(shuō)，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?！按箨懫茖W(xué)說(shuō)”和“板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)”的動(dòng)力機(jī)制此前并不明晰，丁發(fā)興認(rèn)為該機(jī)制以及地震和火山爆發(fā)的動(dòng)力機(jī)制，是地球的“重力塑性耗能”與月亮太陽(yáng)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(qiáng)度理論，得到了不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)可和引用。歐洲科學(xué)院院士、《中國(guó)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(qiáng)度理論從傳統(tǒng)強(qiáng)度理論中脫穎而出，用來(lái)解釋脆性材料和金屬塑性材料的破壞機(jī)理，有望夯實(shí)學(xué)界對(duì)脆性材料破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)。
