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为推进优良学风建设，营造良好的学术创新氛围，由土木工程学院研究生会与本科生采编部合力主办“子曰：优博优硕微表达活动”系列微信推文活动。本系列活动走进了优秀博士、硕士及其团队，挖掘优博优硕科研成果，给大家提供了解科研大牛的机会，也有利于培养大家的科研热情。

第八期

来自建筑工程系的【单智师兄】

博士论文题目：混凝土随机损伤本构模型及其应用

作者：单智

指导教师：余志武教授，高速铁路建造技术国家工程实验室主任。长期从事土木工程教学、科研与技术开发工作，先后主持国家自然科学基金重点项目1项，参加国家自然科学基金重点项目和国家“十五”重大攻关项目各1项，主持“863”计划项目和国家科技支撑计划项目各1项、国家自然科学基金面上项目4项，省部级重点、重大科研项目10余项。在钢-混凝土组合结构设计理论与应用、混凝土结构设计理论与应用和高速与重载铁路桥梁结构动力学计算理论与性能提升技术等方面取得了一系列创新成果。先后获国家科技进步二等奖3项，湖南省科技进步一等奖4项，湖南省科技进步二等奖2项，教育部科技进步二等奖1项。享受国务院政府特殊津贴，享有铁道部有突出贡献的中青年科技专家称号，湖南省普通高等学校科技先进工作者，入选湖南省首届121人才第一层次人选，首批当选湖南省科技领军人才。

培养院系：土木工程学院

学科：建筑工程系

读博感言：苦中作乐，感恩前行。

研究背景/选题意义/研究价值

“客运需高速，货运要重载”，客运高速化与货运重载化是我国解决铁路运输能力紧张的两大重要举措。开展高速与重载铁路桥梁结构经时性能研究对于保障列车行车安全极为重要，其理论研究的突破口是如何有效地揭示结构性能的随机性与时变性。而开展混凝土随机损伤本构关系研究是上述研究的基础。本文提出了一种混凝土及其与钢筋之间界面的随机损伤本构模型。该模型揭示了混凝土（界面）力学行为随机性与非线性耦合的物理本质，并且能方便快捷地表征随机性与非线性力学行为。

主要研究内容

在微观损伤机理分析的基础上，原创性地提出了mode-II微裂缝概念及其模型，提出并验证了基于损伤能量释放的混凝土静力与疲劳损伤本构模型。该模型基于微观损伤机理分析，通过直观的损伤能量释放理论，定义了不可恢复（变形）损伤变量等损伤变量，考虑了拉压损伤差异、各向异性损伤发展和多轴受压效应等影响。该模型与试验结果吻合较好，且应用方便快捷。

mode-II微裂缝模型

2

在微观统计力学和纤维束-不可恢复（应变）链模型的基础上，原创性地提出并验证了混凝土静力与疲劳随机损伤本构模型：静力与疲劳束-链模型，揭示了混凝土力学行为随机性与非线性耦合的物理本质。通过在经典纤维束模型中引入不可恢复（应变）链模型，得到了表征有效应力驱动的随机不可恢复应变发展的静力束-链模型。将该模型从应变空间转换至加载次数空间，得到了疲劳束-链模型。束-链模型不仅可以在均值意义上反映混凝土力学行为，也可以在概率意义上预测其离散范围，从而，更为全面地反映了混凝土力学行为的非线性、经时性与随机性。而且，利用该模型揭示了混凝土力学行为随机性与非线性耦合关系的物理本质。

混凝土束-链模型

混凝土静力损伤变量三维PDF（概率密度曲面）

混凝土应力响应二维PDF（等概率密度线）

混凝土疲劳损伤变量三维PDF（概率密度曲面）

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3

在微观统计力学和纤维束-不可恢复（滑移）链模型的基础上，原创性地提出并验证了钢筋-混凝土粘结滑移静力与疲劳随机损伤本构模型：界面静力与疲劳束-链模型，揭示了粘结滑移本构行为随机性与非线性耦合的物理本质。通过在经典纤维束模型中引入不可恢复（滑移）链模型，得到了表征有效剪应力驱动的随机不可恢复滑移发展的界面静力束-链模型。将该模型从滑移空间转换至加载次数空间，得到了界面疲劳束-链模型。界面束-链模型不仅可以在均值意义上反映界面力学行为，也可以在概率意义上预测其离散范围，从而，更为全面地反映了粘结滑移行为的非线性与随机性。而且，利用该模型揭示了粘结滑移随机性与非线性耦合关系的物理本质。

钢筋-混凝土界面束-链模型

4

发展了确定随机损伤本构模型参数取值的2类实用方法：一是测定荷载作用下混凝土损伤变量的2种物理方法（X-射线CT方法与声发射方法），一是通过分析模型参数取值规律从而得到简化本构关系公式与模型参数取值表的方法。将上述方法的预测值与试验结果（或规范预测值）对比，验证了其有效性。

双轴受压情况下混凝土的微裂缝与宏观裂缝示意图

5

发展了基于混凝土疲劳随机损伤本构模型的桥梁疲劳性能劣化数值分析方法。该数值分析方法不仅可以在均值意义上反映混凝土结构性能的疲劳劣化，也可以在概率意义上预测其离散范围，从而，更为全面地反映了混凝土桥梁疲劳力学行为的非线性与随机性。进而验证了所提出的混凝土疲劳随机损伤本构模型应用于桥梁疲劳劣化数值分析的可行性。

预应力混凝土桥梁跨中最大挠度的三维概率密度函数（概率密度曲面）

预应力混凝土桥梁跨中最大挠度的二维概率密度函数（等概率密度线）

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主要创新点：

1

在微观损伤机理分析的基础上，原创性地提出了mode-II微裂缝概念及其模型，提出并验证了基于损伤能量释放的混凝土静力与疲劳损伤本构模型。

2

在微观统计力学和纤维束-不可恢复（应变）链模型的基础上，原创性地提出并验证了混凝土静力与疲劳随机损伤本构模型：静力与疲劳束-链模型，揭示了混凝土力学行为随机性与非线性耦合的物理本质。

3

在微观统计力学和纤维束-不可恢复（滑移）链模型的基础上，原创性地提出并验证了钢筋-混凝土粘结滑移静力与疲劳随机损伤本构模型：界面静力与疲劳束-链模型，揭示了粘结滑移本构行为随机性与非线性耦合的物理本质。

4

发展了确定随机损伤本构模型参数取值的2类实用方法：一是测定荷载作用下混凝土损伤变量的2种物理方法（X-射线CT方法与声发射方法），一是通过分析模型参数取值规律从而得到简化本构关系公式与模型参数取值表的方法。发展了基于混凝土疲劳随机损伤本构模型的桥梁疲劳性能劣化数值分析方法。

代表性学术发表

（主要是论文和发明专利）

1	Zhi Shan (单智), 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* (单智), 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* (单智), 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* (单智), 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* (单智), 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* (单智), 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：请问学长这一路有遇到什么困难？如何解决的？

博士学习，长路漫漫，困难时至，比如，我和妻子异地分居。2012-2015年，我和妻子分处两地，我一方面要进行研究工作，比如开展疲劳试验、阅读文献、理论推导、论文撰写和学习英语备考等，一方面要经常乘着节假日赶往数百公里之外与妻子团聚。这段时间，既是我科研工作的重要阶段，完成了2个重载铁路24m超低高度预应力混凝土桥梁数百万次的疲劳试验，系统学习了混凝土损伤力学相关基础理论、并初步建立了混凝土疲劳随机损伤本构模型，准备了几次英语考试等，又是我和妻子极其需要互相支持鼓励的时期，我承受着很大的科研压力和英语考试压力，甚至一度失眠、精神莫名紧张，而妻子又四处奔波寻求工作岗位、工作状态不是很好。经过长达3年的异地煎熬之后，妻子忍痛来到长沙与我会合，我的导师余教授竭尽全力推荐其工作，终于解决我和妻子异地分居之困难。每每想到这些，心中汹涌澎湃，感激余教授爱生如子、关怀备至，感激妻子绵绵情意、柔韧如丝！

Q2: 请问学长获得优秀博士最深的感触是什么？

感谢我的导师余志武教授！五年前我有幸成为余教授的学生，在百舸争流的湘江之畔、万类自由的岳麓山下，开始了博士研究生阶段学习。在那之后，余教授传以大道，宽广我的心胸，培养我为人处事的能力；授以学业，拓展我的视野，训练我学习创新的能力；解学习与生活之困惑，坚定我的信念，锻炼我抵抗挫折的能力。这深重的恩情，深深刻入我的心中：我第一次拜访时，余教授的亲切随和；我刚开展相关研究学习时，余教授的循循善诱；我遇到疑虑困惑时，余教授的鼓舞激励；我面对生活困苦时，余教授的关爱照顾；我取得研究进展时，余教授的赞许鞭策；我申请留洋访学时，余教授的支持帮助；我远赴他乡学习时，余教授的嘘寒问暖……师之恩情，没齿难忘！

Q3: 请问学长/学姐有什么想对学弟学妹说的吗？

如果你每天投入8小时以上的高效科研工作时间，如果你节假日在火车上一心阅读英文文献、毫不介意他人异样眼光，如果你琢磨难题几近失眠，如果……最重要是的如果你被科研生活折磨到深感浴火、蜕皮之苦，你却依旧对科研饱含热情，那么，你值得拥有博士研究生学习这一宝贵人生经历、你获得的博士学位实至名归。

学长寄语

努力就有收获。

文案 / 张熙明

编辑 / 李赛

责编 / 周铁明周惠斌