中南大学丁发兴团队原创性成果《工程材料损伤比强度理论》出版
丁发兴，浙江瑞安人，教授。1996年-2006年就读中南大学本科和博士。2006年10月晋升为副教授，2011年10月晋升为教授。从事土木工程教学和科研工作，发表科研论文190余篇，其中SCI收录论文100余篇，高水平中文论文60余篇，出版一作专著2本，授权国家发明专利12项，获得软件著作权2项，参编行业标准2部，地方标准3部，获得省级科技进步一等奖2项，行业协会科技一等奖2项，培养博士10人，硕士40人。
强度理论是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。自20 世纪70 年代以来，国内外学者基于试验结果提出了众多样式的各类混凝土、各向同性岩石和铸铁强度理论，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，仅描述了试验破坏的规律，不能解释复杂受力下材料破坏的物理和力学机理。
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。丁发兴团队发现了又一个材料固有参数，即损伤比参数——非弹性应变的横向变形效应，并创建了材料单元体相对耗能率计算模型，构建了损伤比强度理论并建立了强度准则通用计算公式，提出了压/拉损伤比变量计算公式并推荐了经验参数取值，该理论适用于各类混凝土、各向同性岩石、铸铁和金属属性材料。损伤比强度理论可用来揭示脆性材料受压体积膨胀与受拉体积收缩的破坏规律以及高压条件下体积膨胀减小导致脆性向塑性转变的机理，实现了脆性和塑性的统一。
工程材料非弹性阶段的受拉（或压）损伤比参数，将受压损伤比和受拉损伤比作为强度准则的两个基本变量，基于损伤力学和最小耗能原理，建立损伤比强度理论的通用表达式以及围压三轴和二轴应力状态下损伤比强度准则简化表达式，揭示了损伤比取值决定材料发生脆性或塑性破坏；根据各类工程材料破坏包络面特征，以及受压损伤比vD,c一般大于0.5 使得工程材料体积与破坏面膨胀且受偏平面角和静水压力影响，而受拉损伤比vD,t 小于0.2 使得体积与破坏面收缩的规律，提出损伤比变表达式并推荐各类混凝土、各向同性岩石与铸铁等工程材料的六个经验参数取值；最后推荐围压三轴损伤比强度准则简化表达式的一经验参数取值和二轴损伤比强度准则简化表达式的四经验参数取值。
根据损伤比强度理论，地表岩石受压损伤比取值在2左右而表现为脆性，随着地壳深处重力增加，损伤比将逐渐递减至0.5左右而表现为高压塑性；该理论可将重力作用下不同深度地壳岩石的受力与变形状态的认知，由“弹脆性和弹塑性”两个状态推进至“弹脆性、弹塑性和塑性流动”三个状态。损伤比强度理论也可用来阐述约束混凝土的工作原理，即围压下混凝土体积膨胀减小，损伤比取值减小，轴向峰值应力提升，导致脆性向塑性转变。
《工程材料损伤比强度理论》（丁发兴，吴霞，余志武著. 北京：科学出版社，2022.5）主要论述作者在损伤比强度理论及其在各类混凝土、各向同性岩石以及铸铁等工程材料应用方面取得的研究成果，综合论述工程材料损伤比强度理论及其参数确定方法，提供了损伤比强度理论推导的过程与通用形式以及损伤比参数的确定方法，给出了围压三轴和二轴受力下损伤比强度理论的简化形式，实现了塑性材料与脆性材料以及古典与现代强度理论的统一。
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损伤比强度理论内容丰富，本书为作者取得的损伤比强度理论成果，以及各类混凝土、各向同性岩石和铸铁等工程材料的压/拉损伤比参数取值确定方法等阶段性研究成果总结，随着课题组研究工作的继续深入，作者期望能进一步推广损伤比强度理论在其他各向同性和正交异性等工程材料中的应用。
中南大学丁发兴团队
在土木工程材料强度理论取得原创性成果
湖南日报·新湖南客户端通讯员 夏雨浓
地球到底有多深？如果我们一直往下挖，地球会不会挖穿？上个世纪七十年代，著名的前苏联科拉超深井科学钻探，在挖到地下12262米处，就被迫停止了。是什么原因停下这个科研项目的？一时众说纷纭，其中有一种流传最广的说法就是地心文明在作祟，挖到了地狱之门。这种说法肯定缺乏科学依据，但是，如果利用中南大学丁发兴团队近年来创立的工程材料损伤比强度理论来解释，将会找到科学答案。这一原创性成果也有望解决土木工程领域200多年来未解难题。
据丁发兴教授介绍，材料破坏有脆性和塑性脆性两种形式，若通俗地说有受拉破坏和受压破坏。但破坏的应力组合有无穷多，因此材料破坏过程十分复杂。于是，土木工程材料强度理论应运而生，所谓强度理论就是复杂应力状态下材料是否遭到破坏的判断条件，是材料和结构强度与变形研究的基础，在物理、力学、材料科学、地球科学、土木和机械工程中广泛应用。
而科研人员对强度理论的探索与研究，其实已有250年的历史了。这期间经历从复杂受力实验研究到唯象理论阶段，但当前既有的各种唯象强度理论仅描述了材料破坏的现象和规律，没有揭示材料破坏的机理，尚未上升到理论构架阶段。这也是世界土木工程领域200多年来材料破坏机理未解之难题。
之前，也正是这一理论未获得重大突破，导致我国施工领域出现一些难题的认识偏差，譬如：西部山地城市浅层地下空间开发的嵌岩桩钻孔成型困难；喜马拉雅等山脉深处高地应力隧道工程TBM（隧道掘进机）开挖岩体诱发硬岩岩爆等问题。
面对强度理论领域和应用工程领域的世界性难题，中南大学丁发兴教授团队，自2000年以来，依托中南大学土木工程一级学科国家重点学科的学科优势和学院良好的科研氛围，深耕工程材料强度理论基础研究。该团队研究成果先后发表在国内权威期刊《固体力学学报》《工程力学》《土木工程学报》以及国际权威期刊美国混凝土协会(ACI)会刊ACI Structural Journal 和美国工程师协会(ASCE)会刊Journal of Engineering Mechanics上，专著为《工程材料损伤比强度理论》。
据了解，丁发兴团队创立的损伤比强度理论取得了原创性成果，发现了材料力学基本性能的第三个参数，揭密了土木工程材料破坏的机理，突破了1776年以来材料复杂受力强度实验研究和唯象理论研究的视角，解决了200多年来材料破坏机理认识的难题。
据悉，丁发兴团队创立的损伤比强度理论，是以“损伤比参数——材料非弹性应变的横向变形效应”为亮点，提出了一个高压条件下脆性材料向塑性转变的基本参数，适用于混凝土、岩石、铸铁等脆性材料和金属塑性材料的破坏机制分析，揭示了脆性材料受压体积膨胀、受拉体积收缩的破坏规律，是继1807年提出的弹性模量参数、1829年提出的泊松比参数之后的第三个基本参数，实现了脆性与塑性的统一。
▲ 混凝土/岩石损伤比强度理论数学曲面
此理论并得到国际行业权威专家的认可：混凝土国际标准化组织（ISO/TC71）主席、日本土木工程协会会长、日本工程院院士UEDA Tamon(上田多门)教授认为“混凝土损伤比强度理论有意义，对自己研究有帮助”；日本土木工程协会原副会长Goto Yoshiaki(後藤芳顕)教授认为“损伤比强度理论的概念及推导过程简洁，且损伤比变量考虑了静水压力的影响”；美国混凝土研究协会ACI结构和材料期刊副主编以及评审专家认为“损伤比强度理论具有创新性和非常重要意义”。
更为意义深远的是：损伤比强度理论用于指导具体工程实践，之前、今后很多科学问题工程难题就会迎刃而解。譬如，根据该理论，地表岩石受压损伤比取值在 1.7-2.2 之间，表现为脆性，随着地壳深处重力增加，损伤比将逐 渐递减至 0.5 左右，表现为高压塑性；这个理论超越了以往认知局限：重力下地壳岩石 处于三向受压状态而不会破坏的弹性体，认为重力作用下不同深度的地壳岩石分别处于 弹脆性、弹塑性和塑性流动等三个阶段状态，而弹塑性和塑性流动导致耗能使得岩石内部温度增加，这种新认知将促进地质科学中有关地表移动、地震和火山爆发的新解释。
至此，前苏联科拉超深井科学钻探被迫停止的一个重要原因是：地球深处岩石的塑性流动直接导致了钻头被包裹，无法进行工作。此外，西部山地城市浅层地下空间的开发，同样面临重力作用软岩塑性流动问题，导致嵌岩桩基工程的钻孔往往成型困难。喜马拉雅等山脉深处高地应力隧道工程 TBM（隧道掘进机）开挖时，周边岩体由三轴受压弹塑性应力状态转变为二轴受压应力状态，应力卸载导致岩体变脆性以及损伤比增大，引发体积膨胀，最终诱发硬岩岩爆。
同时，损伤比强度理论也能实现“反破坏”，解决工程难题。中国是地震多发国家，也是蒙受地震灾害最为深重的国家之一，在第五代《中国地震动参数区划图》(GB 18306-2015)提高工程结构抗震设防的背景下，团队建议利用损伤比强度理论，结合约束混凝土做法，将混凝土单轴受压脆性向约束受压塑性转变，发挥混凝土柱耗能潜力，把结构抗震设计由“梁耗能”阶段向“梁柱共同耗能”阶段推进，部分重要工程结构由“大震不倒”提升至“巨震不倒”。目前，丁发兴团队创新性提出的拉筋钢管混凝土柱抗震技术，已经应用在长沙市湖南创意设计总部大厦（约100米）、株洲市湖南中天杭萧钢构综合研发楼（约40米）、西安市西安曲江文创中心（约240米）等工程中局部受力较大的钢管混凝土柱内。
▲ 极震下建筑结构典型倒塌模式
据了解，损伤比强度理论对优化工程结构抗震设计方法，充分利用建筑材料性能，还可为安全可靠、造价合理和美好生活的工程建设与“双碳”目标做出积极贡献。
“思维是地球上最美丽的花朵”，而探索精神是其中最灿烂的一支。近十多年以来，丁发兴团队用孜孜不倦的探索精神不断扩展损伤比强度理论的应用领域，目前，该团队正在对石膏、 玻璃、陶瓷等其他脆性材料的损伤比参数进行标定，并将损伤比强度理论推进至正交异性材料和横观各向同性材料中。
[来源:湖南日报·新湖南客户端]
本文报道内容转自新湖南客户端，其余摘编自《工程材料损伤比强度理论》（丁发兴，吴霞，余志武著. 北京：科学出版社，2022.5）一书“前言”“第一章 绪 论”，有删减修改。
（本文编辑：刘四旦）
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