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為推進優(yōu)良學風建設(shè)，營造良好的學術(shù)創(chuàng)新氛圍，由土木工程學院研究生會與本科生采編部合力主辦“子曰：優(yōu)博優(yōu)碩微表達活動”系列微信推文活動。本系列活動走進了優(yōu)秀博士、碩士及其團隊，挖掘優(yōu)博優(yōu)碩科研成果，給大家提供了解科研大牛的機會，也有利于培養(yǎng)大家的科研熱情。

第八期

來自建筑工程系的【單智師兄】

博士論文題目：混凝土隨機損傷本構(gòu)模型及其應(yīng)用

作者：單智

指導教師：余志武教授，高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室主任。長期從事土木工程教學、科研與技術(shù)開發(fā)工作，先后主持國家自然科學基金重點項目1項，參加國家自然科學基金重點項目和國家“十五”重大攻關(guān)項目各1項，主持“863”計劃項目和國家科技支撐計劃項目各1項、國家自然科學基金面上項目4項，省部級重點、重大科研項目10余項。在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與應(yīng)用、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與應(yīng)用和高速與重載鐵路橋梁結(jié)構(gòu)動力學計算理論與性能提升技術(shù)等方面取得了一系列創(chuàng)新成果。先后獲國家科技進步二等獎3項，湖南省科技進步一等獎4項，湖南省科技進步二等獎2項，教育部科技進步二等獎1項。享受國務(wù)院政府特殊津貼，享有鐵道部有突出貢獻的中青年科技專家稱號，湖南省普通高等學?？萍枷冗M工作者，入選湖南省首屆121人才第一層次人選，首批當選湖南省科技領(lǐng)軍人才。

培養(yǎng)院系：土木工程學院

學科：建筑工程系

讀博感言：苦中作樂，感恩前行。

研究背景/選題意義/研究價值

“客運需高速，貨運要重載”，客運高速化與貨運重載化是我國解決鐵路運輸能力緊張的兩大重要舉措。開展高速與重載鐵路橋梁結(jié)構(gòu)經(jīng)時性能研究對于保障列車行車安全極為重要，其理論研究的突破口是如何有效地揭示結(jié)構(gòu)性能的隨機性與時變性。而開展混凝土隨機損傷本構(gòu)關(guān)系研究是上述研究的基礎(chǔ)。本文提出了一種混凝土及其與鋼筋之間界面的隨機損傷本構(gòu)模型。該模型揭示了混凝土（界面）力學行為隨機性與非線性耦合的物理本質(zhì)，并且能方便快捷地表征隨機性與非線性力學行為。

主要研究內(nèi)容

在微觀損傷機理分析的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地提出了mode-II微裂縫概念及其模型，提出并驗證了基于損傷能量釋放的混凝土靜力與疲勞損傷本構(gòu)模型。該模型基于微觀損傷機理分析，通過直觀的損傷能量釋放理論，定義了不可恢復（變形）損傷變量等損傷變量，考慮了拉壓損傷差異、各向異性損傷發(fā)展和多軸受壓效應(yīng)等影響。該模型與試驗結(jié)果吻合較好，且應(yīng)用方便快捷。

mode-II微裂縫模型

2

在微觀統(tǒng)計力學和纖維束-不可恢復（應(yīng)變）鏈模型的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地提出并驗證了混凝土靜力與疲勞隨機損傷本構(gòu)模型：靜力與疲勞束-鏈模型，揭示了混凝土力學行為隨機性與非線性耦合的物理本質(zhì)。通過在經(jīng)典纖維束模型中引入不可恢復（應(yīng)變）鏈模型，得到了表征有效應(yīng)力驅(qū)動的隨機不可恢復應(yīng)變發(fā)展的靜力束-鏈模型。將該模型從應(yīng)變空間轉(zhuǎn)換至加載次數(shù)空間，得到了疲勞束-鏈模型。束-鏈模型不僅可以在均值意義上反映混凝土力學行為，也可以在概率意義上預(yù)測其離散范圍，從而，更為全面地反映了混凝土力學行為的非線性、經(jīng)時性與隨機性。而且，利用該模型揭示了混凝土力學行為隨機性與非線性耦合關(guān)系的物理本質(zhì)。

混凝土束-鏈模型

混凝土靜力損傷變量三維PDF（概率密度曲面）

混凝土應(yīng)力響應(yīng)二維PDF（等概率密度線）

混凝土疲勞損傷變量三維PDF（概率密度曲面）

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3

在微觀統(tǒng)計力學和纖維束-不可恢復（滑移）鏈模型的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地提出并驗證了鋼筋-混凝土粘結(jié)滑移靜力與疲勞隨機損傷本構(gòu)模型：界面靜力與疲勞束-鏈模型，揭示了粘結(jié)滑移本構(gòu)行為隨機性與非線性耦合的物理本質(zhì)。通過在經(jīng)典纖維束模型中引入不可恢復（滑移）鏈模型，得到了表征有效剪應(yīng)力驅(qū)動的隨機不可恢復滑移發(fā)展的界面靜力束-鏈模型。將該模型從滑移空間轉(zhuǎn)換至加載次數(shù)空間，得到了界面疲勞束-鏈模型。界面束-鏈模型不僅可以在均值意義上反映界面力學行為，也可以在概率意義上預(yù)測其離散范圍，從而，更為全面地反映了粘結(jié)滑移行為的非線性與隨機性。而且，利用該模型揭示了粘結(jié)滑移隨機性與非線性耦合關(guān)系的物理本質(zhì)。

鋼筋-混凝土界面束-鏈模型

4

發(fā)展了確定隨機損傷本構(gòu)模型參數(shù)取值的2類實用方法：一是測定荷載作用下混凝土損傷變量的2種物理方法（X-射線CT方法與聲發(fā)射方法），一是通過分析模型參數(shù)取值規(guī)律從而得到簡化本構(gòu)關(guān)系公式與模型參數(shù)取值表的方法。將上述方法的預(yù)測值與試驗結(jié)果（或規(guī)范預(yù)測值）對比，驗證了其有效性。

雙軸受壓情況下混凝土的微裂縫與宏觀裂縫示意圖

5

發(fā)展了基于混凝土疲勞隨機損傷本構(gòu)模型的橋梁疲勞性能劣化數(shù)值分析方法。該數(shù)值分析方法不僅可以在均值意義上反映混凝土結(jié)構(gòu)性能的疲勞劣化，也可以在概率意義上預(yù)測其離散范圍，從而，更為全面地反映了混凝土橋梁疲勞力學行為的非線性與隨機性。進而驗證了所提出的混凝土疲勞隨機損傷本構(gòu)模型應(yīng)用于橋梁疲勞劣化數(shù)值分析的可行性。

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁跨中最大撓度的三維概率密度函數(shù)（概率密度曲面）

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁跨中最大撓度的二維概率密度函數(shù)（等概率密度線）

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主要創(chuàng)新點：

1

在微觀損傷機理分析的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地提出了mode-II微裂縫概念及其模型，提出并驗證了基于損傷能量釋放的混凝土靜力與疲勞損傷本構(gòu)模型。

2

在微觀統(tǒng)計力學和纖維束-不可恢復（應(yīng)變）鏈模型的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地提出并驗證了混凝土靜力與疲勞隨機損傷本構(gòu)模型：靜力與疲勞束-鏈模型，揭示了混凝土力學行為隨機性與非線性耦合的物理本質(zhì)。

3

在微觀統(tǒng)計力學和纖維束-不可恢復（滑移）鏈模型的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地提出并驗證了鋼筋-混凝土粘結(jié)滑移靜力與疲勞隨機損傷本構(gòu)模型：界面靜力與疲勞束-鏈模型，揭示了粘結(jié)滑移本構(gòu)行為隨機性與非線性耦合的物理本質(zhì)。

4

發(fā)展了確定隨機損傷本構(gòu)模型參數(shù)取值的2類實用方法：一是測定荷載作用下混凝土損傷變量的2種物理方法（X-射線CT方法與聲發(fā)射方法），一是通過分析模型參數(shù)取值規(guī)律從而得到簡化本構(gòu)關(guān)系公式與模型參數(shù)取值表的方法。發(fā)展了基于混凝土疲勞隨機損傷本構(gòu)模型的橋梁疲勞性能劣化數(shù)值分析方法。

代表性學術(shù)發(fā)表

（主要是論文和發(fā)明專利）

1	Zhi Shan (單智), Zhiwu Yu*. A fiber bundle-plastic chain model for quasi-brittle materials under uniaxial loading [J]. Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, 2015, P11010. (SCI, IF: 2.404, JCR-Q1)
2	Zhiwu Yu, Zhi Shan* (單智), Jianfeng Mao. Fatigue deterioration of quasi-brittle materials [J]. International Journal of Fatigue, 2019, 118(1): 185-191. (SCI, IF: 3.132, JCR-Q1)
3	Z. Yu, Z. Shan* (單智), Z. Ouyang, F. Guo. A simple damage model for concrete considering irreversible mode-II microcracks [J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2016, 39(11): 1419-1432. (SCI, IF: 2.533, JCR-Q1)
4	Z.W. Yu, S. Tan, Z. Shan* (單智), X.Q. Tian. X-ray computed tomography quantification of damage in concrete under compression considering irreversible mode-II microcracks [J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2017, 40(12): 1960-1972. (SCI, IF: 2.533, JCR-Q1)
5	Sui Tan, Zhiwu Yu, Zhi Shan* (單智), Jianfeng Mao. Influences of train speed and concrete Young's modulus on random responses of a 3D train-track-girder-pier coupled system investigated by using PEM [J]. European Journal of Mechanics / A Solids, 2019, 3-4, 74: 297-316. (SCI, IF: 2.881, JCR-Q1)
6	Zhi Shan* (單智), Zhiwu Yu, Jianjun Shi. Experimental investigation of flow of fresh self-compacting concrete in improved L-box [J]. Construction and Building Materials, 2015, 84: 30-38. (SCI, IF: 2.421, JCR-Q1)

Q&A

Q1：請問學長這一路有遇到什么困難？如何解決的？

博士學習，長路漫漫，困難時至，比如，我和妻子異地分居。2012-2015年，我和妻子分處兩地，我一方面要進行研究工作，比如開展疲勞試驗、閱讀文獻、理論推導、論文撰寫和學習英語備考等，一方面要經(jīng)常乘著節(jié)假日趕往數(shù)百公里之外與妻子團聚。這段時間，既是我科研工作的重要階段，完成了2個重載鐵路24m超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁數(shù)百萬次的疲勞試驗，系統(tǒng)學習了混凝土損傷力學相關(guān)基礎(chǔ)理論、并初步建立了混凝土疲勞隨機損傷本構(gòu)模型，準備了幾次英語考試等，又是我和妻子極其需要互相支持鼓勵的時期，我承受著很大的科研壓力和英語考試壓力，甚至一度失眠、精神莫名緊張，而妻子又四處奔波尋求工作崗位、工作狀態(tài)不是很好。經(jīng)過長達3年的異地煎熬之后，妻子忍痛來到長沙與我會合，我的導師余教授竭盡全力推薦其工作，終于解決我和妻子異地分居之困難。每每想到這些，心中洶涌澎湃，感激余教授愛生如子、關(guān)懷備至，感激妻子綿綿情意、柔韌如絲！

Q2: 請問學長獲得優(yōu)秀博士最深的感觸是什么？

感謝我的導師余志武教授！五年前我有幸成為余教授的學生，在百舸爭流的湘江之畔、萬類自由的岳麓山下，開始了博士研究生階段學習。在那之后，余教授傳以大道，寬廣我的心胸，培養(yǎng)我為人處事的能力；授以學業(yè)，拓展我的視野，訓練我學習創(chuàng)新的能力；解學習與生活之困惑，堅定我的信念，鍛煉我抵抗挫折的能力。這深重的恩情，深深刻入我的心中：我第一次拜訪時，余教授的親切隨和；我剛開展相關(guān)研究學習時，余教授的循循善誘；我遇到疑慮困惑時，余教授的鼓舞激勵；我面對生活困苦時，余教授的關(guān)愛照顧；我取得研究進展時，余教授的贊許鞭策；我申請留洋訪學時，余教授的支持幫助；我遠赴他鄉(xiāng)學習時，余教授的噓寒問暖……師之恩情，沒齒難忘！

Q3: 請問學長/學姐有什么想對學弟學妹說的嗎？

如果你每天投入8小時以上的高效科研工作時間，如果你節(jié)假日在火車上一心閱讀英文文獻、毫不介意他人異樣眼光，如果你琢磨難題幾近失眠，如果……最重要是的如果你被科研生活折磨到深感浴火、蛻皮之苦，你卻依舊對科研飽含熱情，那么，你值得擁有博士研究生學習這一寶貴人生經(jīng)歷、你獲得的博士學位實至名歸。

學長寄語

努力就有收獲。

文案 / 張熙明

編輯 / 李賽

責編 / 周鐵明周惠斌