王 輝

丁發(fā)興（右）與吳霞展示巖石強度數(shù)學(xué)曲面

蘇聯(lián)在20世紀70年代初曾用24年的時間向地下鉆井，深度達12 263米，史稱“科拉超深井”，但此后這項實驗于1994年對外宣布正式停止。一時間，有關(guān)工程停止原因的討論甚囂塵上，其中流傳較為廣泛的說法竟然是地心文明在作祟，即人類挖到了“地獄之門”。這類說法毫無科學(xué)依據(jù)，但如何解釋地球深部的秘密，何以解答地球究竟是否可能被挖穿等問題，仍是困擾人類的世界性難題。

中南大學(xué)土木工程學(xué)院教授丁發(fā)興近日發(fā)布的一項研究理論，或許可以從某種程度上為這個遺留在歷史長河里的問題交上一份合理的答卷。根據(jù)他及背后團隊創(chuàng)立的材料損傷比強度理論來看，更具科學(xué)性的解釋應(yīng)為：地球深處巖石的塑性流動導(dǎo)致了鉆頭被包裹，無法進行工作。這項花費了丁發(fā)興團隊23年探索而出的原創(chuàng)性成果，不僅有望揭示材料強度領(lǐng)域200多年來的未解之謎，還對未來的工程實施頗具指導(dǎo)性。

創(chuàng)建損傷比強度理論

丁發(fā)興如今是中南大學(xué)系統(tǒng)培養(yǎng)的杰出科研人才，多年來他從未離開母校，從高業(yè)弟子一路拼搏，成為土木工程學(xué)院教授，扎根湖湘、回報地方。但如果論起他與損傷比強度理論的淵源，還要從2000年說起。

那一年秋天是丁發(fā)興順利升入本校研究生進行深造的開端，其導(dǎo)師余志武教授帶領(lǐng)的課題組當時正在開展鋼管高性能混凝土柱受力性能研究。在正式了解導(dǎo)師的課題之后，他迅速著手開展鋼管混凝土軸壓理論分析。通過廣博的閱讀與文獻查閱，他發(fā)現(xiàn)圓鋼管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尚未涉及。

所謂三軸受壓特性，就是當外界對鋼管混凝土施加軸向壓荷載以致混凝土的膨脹變形超過鋼管的膨脹變形時，鋼管將被動給混凝土施加側(cè)向壓應(yīng)力，形成混凝土上下、左右和前后3個方向軸都受到壓力的情況。“我向?qū)熣埥滔嚓P(guān)問題時，他并沒有著急給我定論，或者把自己的想法‘強加’給我，而是鼓勵我在找不到現(xiàn)成的標準答案時，學(xué)會通過自主學(xué)習解決疑問。”丁發(fā)興說。

通過對教科書的進一步研讀，丁發(fā)興領(lǐng)會到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?？蒲腥藛T對強度理論的探索與研究已超過200年，但混凝土和巖石強度理論的研究熱潮直至20世紀70年代才開始興起，單剪強度理論、八面體強度理論和雙剪強度理論等先后涌現(xiàn)。但這些理論仍有許多不足之處，因其僅描述了實驗層面破壞的現(xiàn)象和規(guī)律，卻沒有說明材料破壞的原理。

“要開展鋼管混凝土軸壓理論分析，就必須搞清楚材料破壞原理，把混凝土三軸特性‘吃透’?！被炷恋却嘈圆牧掀茐臅r具有受壓體積膨脹（導(dǎo)致壓碎）和受拉體積膨脹增大（導(dǎo)致拉斷）兩類特征。此前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，而沒有描述非彈性變形與體積變化規(guī)律特征的參數(shù)。在長時間的深入研究后，丁發(fā)興發(fā)現(xiàn)上述材料破壞規(guī)律可用另一個基本參數(shù)進行描述，這就相當于已經(jīng)產(chǎn)生了一個全新的強度理論。但他同時也很清楚，這只是完成了一個理論雛形的搭建，把過程解釋清楚才是最關(guān)鍵的。

于是，丁發(fā)興首先要做的便是構(gòu)建理論模型并給出求解過程。傳統(tǒng)方法認為，應(yīng)力是應(yīng)變的函數(shù)，應(yīng)變是自變量，而自變量無法分解?！叭绻怪伎紩鯓?？”丁發(fā)興并沒有被思維閉環(huán)困住，而是在反復(fù)構(gòu)想后產(chǎn)生了新的基本假設(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)變的損傷變形效應(yīng)兩部分。新思路帶來了新突破——最終他成功創(chuàng)建了材料單元體相對塑性耗能率計算模型，發(fā)現(xiàn)了描述材料破壞的非彈性應(yīng)變相對橫向變形規(guī)律，并將其命名為“損傷比”，同時構(gòu)建起損傷比強度理論和其通用計算公式。

丁發(fā)興表示，材料的受力與變形是絕對關(guān)系，這點是無疑的，而之前同行都認為材料的破壞也是絕對關(guān)系，但事實上卻是相對關(guān)系?！皳p傷比強度理論是對米塞斯屈服理論進行了無量綱化和升級，所以除適用傳統(tǒng)的各向同性金屬材料之外，損傷比強度理論還適用脆性材料和正交異性金屬屬性材料，具有更廣泛的普適性”，他解釋道，“損傷比參數(shù)是相對關(guān)系，是強度和非彈性應(yīng)變兩個相對物理量的乘積，損傷比不僅能夠反映材料脆性和塑性破壞規(guī)律，還能進一步反映高壓條件下脆性材料體積膨脹減小從而導(dǎo)致脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變的規(guī)律，從而實現(xiàn)脆性和塑性的統(tǒng)一。”

憑此特性，丁發(fā)興及其研究團隊很快獲得了混凝土與巖石等脆性材料的完整破壞包絡(luò)面以及正交異性金屬塑性材料的屈服軌跡線。更有趣的是，混凝土與巖石的三維數(shù)學(xué)曲面圖看上去恰好像是各種形狀的“愛心”，而鎂合金的屈服軌跡線像“雞蛋”，形狀記憶合金的像“土豆”。

始于“問”，終于“心”。丁發(fā)興團隊的成功不是偶然，除了心向真理的探索以外，重要的還有百折不撓的頑強心態(tài)和規(guī)劃得宜的清醒頭腦，這也讓他們并沒有沉醉于自己的成功里，而是透過足以寫進教科書的創(chuàng)新理論，望向了更遠的未來?！跋Ｍ^材料破壞已有的‘四大古典強度理論’之后，損傷比強度理論能成為‘第五強度理論’?！倍“l(fā)興說。

建筑提安全促低碳

損傷比強度理論可以用來解釋地球科學(xué)的一些現(xiàn)象。譬如，根據(jù)此理論，地表巖石受壓損傷比取值在2左右，表現(xiàn)為脆性；隨著地殼深處重力增加，損傷比將逐漸遞減至0.5左右，表現(xiàn)為高壓塑性。幾個數(shù)字的小小變更卻超越了以往的認知局限：過去，學(xué)界大多認為重力下地殼巖石處于三向受壓狀態(tài)而不會破壞的彈塑性體，但通過理論解釋后才知道，事實上不同深度的地殼巖石在重力作用下分別處于彈脆性、彈塑性和塑性流動3個階段狀態(tài)。其中，彈塑性和塑性流動會使得巖石內(nèi)部的溫度增加。這種新認知將促進地球科學(xué)中有關(guān)地表移動、地震和火山爆發(fā)的新解釋。

在國家“雙碳”戰(zhàn)略目標下提升建筑的抗震性能，是丁發(fā)興將理論應(yīng)用到工程的一個實施途徑，而其中的增強約束拉筋鋼管混凝土柱抗震技術(shù)，是整個課題組錨定的另一個攻關(guān)目標。

由拉筋直接約束混凝土進而提升抗壓承載力和塑性，鋼管在外側(cè)擔當起抗彎的作用，這時鋼管混凝土柱的性能包括剛度、承載力和塑性三位一體同步提升，當建筑梁柱的性能都達到一種合理匹配的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)分析軟件會更容易計算，實現(xiàn)建筑抗震倒塌分析，此時在工程成本增量有限的前提下建筑的抗倒塌能力將提升20%～40%，從而有效應(yīng)對超強度地震作用，做到“巨震不倒”。反過來說，如果維持建筑抗震性能不變時，則可以節(jié)約鋼材用量，將有助于實現(xiàn)碳達峰與碳中和“雙碳”戰(zhàn)略目標?！斑@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，從而提升承載力且變成塑性，使抗破壞的性能更強?！倍“l(fā)興說，舉重運動員系腰帶其實就是依照這個原理，腰帶能使腰部的承載力更高、更集中。

目前，丁發(fā)興課題組提出的損傷比強度理論，已得到了不少國內(nèi)外學(xué)者的認可。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識，這一理論將鞏固約束混凝土柱的工程應(yīng)用以應(yīng)對強震作用。此外，增強約束拉筋鋼管混凝土柱抗震技術(shù)于2022年獲得相關(guān)行業(yè)學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

起筆精彩，落筆飽滿，丁發(fā)興及其背后團隊以數(shù)年來的努力賡續(xù)著材料強度領(lǐng)域的華彩之章。如今，濃墨重彩的一幕已被揭開，但他們的科研生涯還遠未落幕，他們?nèi)栽谧巫尾痪氲財U展損傷比強度理論的應(yīng)用領(lǐng)域。下一步，丁發(fā)興團隊力求將損傷比強度理論推進至橫觀各向同性材料中，以小我之勞，鑄強國之夢。