学术前沿 | 走访西安建筑科技大学姚尧教授团队

西安建筑科技大学姚尧教授团队（极端环境下材料性能及结构防灾研究团队）新建于2019年，延续了姚尧教授2012年起在西北工业大学所创立的极端环境下材料性能及结构防灾研究团队。

姚尧教授毕业于美国西北大学，现任西安建筑科技大学副校长，2011年入选国家海外高层次引进人才，2018年获得德国“洪堡资深学者”称号，在国际学术期刊发表SCI论文110余篇，他引1300余次。担任20余种国际SCI期刊及规范的长期评审人。目前为国际知名SCI期刊RMRE编委,JMMP副主编。

2019年12月4日下午，《建筑结构学报》编辑部一行4人走访了西安建筑科技大学姚尧教授研究团队。

团队目前聚焦于新型建筑材料力学性能研究、结构高温可靠性及防灾减灾研究、岩石力学及水力压裂交叉学科研究等方向。具体如下：

一 建筑材料与结构高温防灾减灾性能研究

1 建筑材料及结构高温可靠性研究

研究了不同火灾条件下混凝土材料及构件的可靠性，对标准升温曲线及自然火灾条件下钢筋混凝土构件的承载力进行了计算和预测。基于互动结构力学模型，结合结构稳定性理论、试验研究及数值仿真，考虑了高温下构件的单轴及双轴弯曲钢筋混凝土构件的承载力的影响，对不同类型柱结构高温可靠性进行了准确计算和预测，通过与试验数据的比较证明了该计算方法具有良好的准确性和适用性，并为后续新的研究工作提供基本框架。以该理论为基础进行扩展和创新，成功将计算模型改进并应用于钢管混凝土和钢结构等其他结构构件上，扩大了理论的适用范围，证明了模型的普适性和鲁棒性。

Zone Modeling方法及钢筋混凝土、钢结构柱高温承载力计算模型

阐明了混凝土高温本构模型及钢管混凝土结构构件在复杂荷载及火灾条件下的可靠性。对混凝土高温本构模型进行了研究，建立了热力学框架下的混凝土高温、围压本构模型，为数值模型的建立提供理论支持，并基于流体动力学理论和数值模拟，对英国卡丁顿试验和美国马里兰大学试验进行拟合，对数值方法的有效性进行验证。通过建立具有典型特征的自然火灾场景，得到可靠的温度-时间曲线。在基于钢筋混凝土结构和钢结构构件研究成果的基础上，对ISO-834标准火灾及自然火灾条件下的单层和双层钢管混凝土柱进行了研究。结合数值模拟和试验，对轴压、偏心荷载以及不均匀受火等复杂荷载作用下构件性能及损伤破坏机理进行了研究和分析。

混凝土高温本构及钢管混凝土结构高温可靠性研究

2 高温爆炸后结构连续性倒塌研究

探索了钢筋混凝土结构连续性倒塌机理。对钢筋混凝土梁柱构件中混凝土的剪切失效机理进行了研究，分析了钢筋混凝土梁柱构件几何非线性行为。研究了用于描述混凝土受压与受拉硬化作用的混凝土模型，对梁-柱截面上应力-应变状态及梁-柱损伤失效的发展过程进行了评估。针对钢筋混凝土节点模拟中影响数值稳定性和计算精度性的关键因素，提出了钢筋滑移组件和剪切板组件的理论分析模型，形成了复杂荷载工况下钢筋混凝土梁柱框架结构可靠性研究体系。

混凝土框架结构连续性倒塌机理研究

研究了钢框架结构连续性倒塌机理，评估钢框架结构体系在高温爆炸后一个或多个关键构件受损的极端情况下连续性倒塌的机理。探索开发相应的设计准则，以确保结构体系的局部损坏受到遏止，不会影响整个结构的安全性和稳定性，为钢框架结构体系抗连续性倒塌提供分析与设计依据。研究钢框架结构连续性倒塌过程中悬链线效应的形成机理，明确影响悬链线效应形成的关键设计参数及形成后的稳定性。基于梁柱与非线性弹簧单元，考虑其刚性与半刚性的连接，研究相应的节点力学性能。由于结构失效过程中材料、构件性能等均具有不确定性，基于概率统计方法对复杂荷载下结构的连续性倒塌进行可靠性评估，研究钢结构受损后的倒塌概率及结构鲁棒性。

钢框架结构连续性倒塌机理评估

二 岩石力学及水力压裂交叉学科研究

1 基于线弹性和内聚区方法模拟水力压裂在脆性和塑性岩石中的行为研究

水力压裂技术广泛应用于非常规油气的开发。目前对水力压裂的模拟主要基于线弹性力学，模拟结果对脆性岩石的压裂给出了合理预测，但对软岩（页岩、砂岩）和其他非常规地层的预测有较大限制。这是因为对塑性较强的岩石，裂尖断裂进程区的存在和软化行为是不可以忽略的。研究团队采用有效断裂强度的方法研究了断裂进程区对延性岩石裂纹扩展的影响，对比了脆性和延性岩石的断裂行为对裂纹长度、宽度的影响等。

岩石水力压裂理论及数值模拟

水力压裂在准脆性岩石中的行为研究。采用巴西圆盘劈裂试验测得了来自陕西鄂尔多斯地下砂岩的拉伸强度，采用三点弯试验测得了该岩石的压力-位移曲线，证明了T-S曲线模拟准脆性岩石裂缝起始与扩展上的有效性；建立3D孔隙压裂内聚区模型模拟可渗透介质下钱币形裂缝在刚度-储存，刚度-滤失下水力裂缝的长度、张开量；拟合了不可渗透介质下钱币型裂缝在粘度-储存下水力裂缝的张开量；对砂岩页岩中的小型压裂试验进行模拟，得到砂岩层与页岩层的境地压力曲线，均能与试验曲线大致拟合；并对影响水力裂缝长度、张开量及境地压力曲线的参数进行了探究。

水力压裂有限元模拟与试验对比

夹杂和非均质模型对水力压裂应力场的影响。探究了条状夹杂物位置对单注水点水力裂缝扩展的影响；条状物位置对多注水点同时压裂裂纹长度和宽度的影响；探究了不同含量的三角形夹杂对地应力、孔隙压力的影响，并与试验数据作了对比。

考虑夹杂与地层非均匀性的水力压裂

基于能量的预测裂纹交叉后的裂纹走向。采用能量平衡原理，得出了天然裂缝开裂和水力压裂裂缝直接穿过天然裂缝的临界液体压力，并于试验结果具有较好一致性；得到了基于地应力差的判断准则，研究表明在交叉角度较小时，天然裂缝容易张开并继续延申，在中等相交角度条件下，水平地应力差较大时，岩石容易沿天然裂缝面发生滑移，在高交叉角度下，水平地应力差越大水力裂缝越容易穿过天然裂缝，当地应力差极小时，天然裂缝开裂破坏仍能发生；天然裂缝与岩石基质表面能之比对以上情况发生的地应力差有一定影响，比值越大天然裂缝越难以开裂。

天然裂缝开裂的XFEM数值模拟及理论分析

岩石非弹性行为对裂纹交叉的影响。研究了岩石受拉屈服的非弹性行为，修正了Rankine受拉屈服的弹塑性损伤公式，能较好地模拟准脆性岩石的受拉破坏行为；将修正的受拉屈服准则应用于双边切口模型，通过加-卸载模拟求得各温度下临界J积分的值，以及临界J积分弹性部分和塑性部分所占比例；基于能量平衡理论和叠加原理，将塑性功作为表面能的一部分，推导出新的能量平衡公式，准确预测了塑性影响下交叉裂纹的扩展方向。

考虑夹杂与地层非均匀性的水力压裂

基于均匀化理论的岩石材料力学性能分析。利用基于Eshelby等效夹杂理论的平均场方法（Mean Field Method），考虑了岩石材料微观结构和微观变形机理对岩石材料宏观力学性能的影响。本团队针对深埋地质高放核废料处置中普遍采用的花岗岩和泥岩，利用自洽模型和Mori-Tanaka等方法，系统研究了以上两种岩石材料的宏观塑性和粘塑性性能。

基于均匀化理论的岩石材料本构模型开发

三 国际合作交流

团队依托于姚尧教授和曾涛副教授多年海外留学及工作经历，具有良好的国际合作交流背景和基础，目前已同美国西北大学、新加披南洋理工大学、法国里尔大学以及德国马普研究所等建立了长期良好的合作关系，与新加坡南洋理工大学Tan Kang Hai教授课题组、美国西北大学Leon M.Keer教授课题组展开密切深入合作。

四 研究成果

团队成员已在ASCE Journal of Structural Engineering，Engineering Structures，Rock Mechanics and Rock Engineering，ASCE Journal of Engineering Mechanics，Thin-Walled Structures，Journal of Constructional Steel Research，Construction and Building Materials等土木工程、岩石力学领域知名SCI期刊发表论文100余篇，专著1部，专利及软件著作权5项。省部级奖励2项。

专著及软件著作权

论文

本次学术交流的圆满完成，得到了西安建筑科技大学姚尧教授及其研究团队的大力支持和周到安排，在此《建筑结构学报》编辑部全体工作人员深表谢意！