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  曾庆元:敢叫天堑变坦途       
曾庆元:敢叫天堑变坦途
[ 作者:伍砺矛 周智辉 文颖    转贴自:中国科学报    点击数:55    更新时间:2021-12-04    文章录入:admin ]

 

 

曾庆元,192510月出生,江西泰和人,桥梁工程动力学专家。现任中南大学教授、博士生导师。1999年当选为中国工程院院士。长期从事桥梁振动与稳定的教学和研究,以其独特的思维方式和勇于创新的精神,创立了“列车—桥梁时变系统横向振动分析理论”,解决了铁路桥梁横向振动的理论问题。他提出的“弹性系统动力学势能不变值原理”和“形成系统矩阵的‘对号入座’法则”、“弹性系统运动稳定性的总势能判别准则”等理论,对经典动力学理论作出了重要的补充和发展,使我国在这一领域的研究处于国际领先地位。

 

清贫的父母发誓要送出一位“文曲星”

曾庆元出生在赣中偏西的泰和县农村,这里西邻井冈山区,是一片地薄物贫的丘陵地带。当地人世代为生存而挣扎,几乎没有真正意义上的读书人。曾庆元家也是世代务农,家境贫寒。父母送他上私塾原本也只想让他认几个字,能写自己的名字。但他表现出聪颖的天资和超常的记忆。每天早晨先生监读课文,读一句就用笔划一句,读完即背。他每次都能很流畅地背出,对于课堂上的提问,更是不在话下。

他有个伯父叫曾肇元,做些小生意,见多识广,思想开明,又有着强烈的“唯有读书高”的观念。当他发现侄儿很有天分,就经常力劝曾庆元的父母送儿子读书,说这孩子将来是个“文曲星”,并表示愿意尽力资助。父母也看出了儿子的不同寻常之处,发誓砸锅卖铁、忍饥挨饿也要为这穷乡村送出一个“文曲星”。后来曾庆元进了县立初级中学。

曾庆元说:“伯父对我一生影响最大、恩重如山的人。”尽管伯父已去世多年,他至今谈及时依然充满怀念和感激之情。

在县立中学,他知道自己读书的机会来之不易,因此非常刻苦。他的成绩总是名列前茅,尤以数学突出,当时他就自学了范氏大代数。1943年,他以优异的成绩考取吉安的一所高中。1946年,他又以优异的成绩考取南昌国立中正大学(即现在的南昌大学)土木系。1950年毕业后留校任教。

1953年院系调整,曾庆元来到长沙中南土建学院(现湖南大学)桥隧系。同年底,他被选派到哈尔滨工业大学当研究生,学土木结构。由于后来苏联专家没来,他学了半年俄语后又被转派到清华大学土木系当研究生,学习钢结构。1956年毕业后回到长沙。由于学习期间他总是“吃不饱”,所以除规定课程外,他还专攻了弹性力学、弹性稳定理论、空间结构分析理论、结构动力学等课程。并且出色地完成了《跨度100m飞机库圆柱网壳屋盖结构》的毕业设计。这为他后来的发展奠定了坚实而广阔的基础。

 

“我只不过是比别人机遇好些”

曾庆元在谈及成就时,总是说“我只不过是比别人机遇好些”。

19608月,长沙铁道学院刚建院,曾庆元就来到该院桥隧系。铁道学院初建伊始,百业待兴。这年秋季开学时,教学楼尚只建到三楼,还没有窗户,只好边建边用。于是出现了上面建房,下面上课的奇观。墙上钉两颗钉子,挂上一块涂黑的木板,四处收凑来的课桌椅,合起来就成了教室。居住条件、生活环境、教学场地、科教设备都很简陋。加上当时曾庆元患坐骨神经痛未愈就出院,上课都是一拐一拐的。而他主要的精力和时间又必须放在教学上,因为国家需要更多的基础性人才。在这种情形下,搞出科研成果的难度不言而喻。但他对科研有着强烈的兴趣,常挤出时间,克服重重困难研究钢结构疲劳。1963年,他在这一领域的第一项成果诞生——写出了《构件应力集中截面疲劳强度的计算》,导出了金属疲劳裂缝形成条件的方程式及疲劳破坏条件的一般方程式。有关专家审定认为论文的基本观点有根据、结果好,但需要大量实验验证。限于实验条件,他不得不终止该研究,而转向桥梁振动的研究。1964年他写出了《钢连续梁桥竖向振动近似计算》,并提出了计算式。这一成果使铁路梁桥竖向振动的分析计算方法有了重要发展。

正当他踌躇满志时,“文化大革命”开始了。他和所有知识分子一样,很难继续科研。1969年,他被派到人防办修防空洞。好在事情不多,他就利用空闲,躲进三尺小屋,偷偷读书,继续他的研究,真是“祸兮福所伏”。他说:“我因祸得福,那几年反倒让我理论上提高不少。”所以至今他都认为,他真正从事桥梁振动研究是从1972年开始的。

那是1972年铁道部大桥工程局组织钢桥振动专题研究组,以成昆线192m简支钢桁梁桥模型为对象,研究钢桥空间自由振动及静力偏载位移内力分布。他有幸与著名桥梁工程专家李国豪教授一道应邀参加理论分析。在这一研究中,他建立起了一种全新的理论分析方法。写成《简支下承桁梁偏载变位、内力及自由振动计算方法》和《504桥模型偏载变位、内力及自由振动计算》两篇长篇论文。这一成果开创了解析法解决桁梁空间分析问题的先例。

应该说,曾庆元科研真正的黄金时期是从1979年开始的。1978年我国恢复研究生招生制度,这年他晋升为副教授,并指导研究生。这时他才真正选择桥梁车振(特别是横向振动)为自己的研究方向。

桥梁车振研究已有百余年历史,其中竖向振动问题已基本解决。而横向振动研究从1920年苏联专家开始,一直没有大的突破和进展。当曾庆元步入这一领域时,发现里面有太多太多未被开垦的处女地。这对于科研工作者无异于哥伦布发现新大陆,这大概就是他所言的“机遇”吧。

今天,曾庆元在这一领域已实现许多重大突破——他基于达朗贝尔原理和虚功原理,提出了“弹性系统动力学总势能不变值原理”、形成系统矩阵的“对号入座”法则及“弹性系统运动稳定性的总势能判别准则”。这些原理和法则不仅有应用价值,而且对经典动力学理论作出了重要的补充和发展。

 

“我的研究竟引来了一场麻烦”

1957年,我国一座著名的公路铁路两用桥举行通车典礼,人们欢呼雀跃地拥上桥面。随即人们明显感到大桥在晃动!人群恐慌起来,有的人甚至趴在桥上。这种现象直到人群散去为止。这就是桥梁横向振动现象。它不仅会给司机和乘客造成心理恐慌,更重要的是它还会导致列车脱轨。因此,桥梁横振成了长期以来困扰桥梁工作者的一个难题。怎样才能使桥梁既平稳又经济?关键是要确立桥梁必需的横向刚度。由于不同桥梁要求不同,所以必须首先建立一个可普遍应用的最简计算方程。

桥梁振动的随机性非常大,国内外一般是以时不变系统振动随机分析理论来研究的,曾庆元对此不以为然。他在研究桥梁振动实测位移时发现:同一机车、同一桥梁、同一轨道在同样车速下的各次实测桥梁横向振动位移会相差几倍。于是他用能量守恒与转换定律来解释这一现象:各次试验车桥宏观条件虽然相同,但各次输入的能量不同。输入的能量多,产生的桥梁横向振动位移大,反之位移就小。这就像烧开水,火越猛,水分子积聚的能量越大,水分子振动也就越厉害。因此,桥梁振动位移的随机性,反映出输入能量的随机性;反过来说,输入能量的随机性也反映出桥梁振动位移的随机性。由此他提出“列车—桥梁时变系统横向振动能量随机分析理论”,解决了桥梁横向振动的随机分析问题。后来,他又提出了桥梁横向刚度分析理论,算出的桥梁横向刚度限值与国内外按经验制定的限值非常接近。就这样他创立了一整套崭新的列车—桥梁时变系统横向振动分析理论。该理论引起了桥梁工程界的轰动,曾庆元也从此被学术界所关注。

1987年,他受铁道部大桥工程局委托,主持九江长江大桥拱—桁组合体系钢桥动力特性及横向刚度的研究。历时3年,该研究顺利完成,为大桥设计提供了理论依据。但意想不到的是,它竟引来一场不小的麻烦。1990年初,正当大桥火热施工时,一位高工致信国务院说该桥钢梁横向刚度计算有误,如不重新计算,改变设计,建成后将导致桥毁人亡!国务院立即责成国际工程咨询公司进行审查论证。有的专家为慎重起见,也建议停工。而此时全部桥墩已建成,大多钢梁构件也已造好。如果停工返工,将造成上亿元损失且须推迟大桥竣工,后果不堪设想。铁道部召集专家,也组成论证组,与国际工程咨询公司专家组同时工作。铁道部论证组根据曾庆元1989年的计算,结合国际通用的规范标准,经反复论证后作出结论:该桥钢梁横向刚度能充分保证列车安全平稳运行,不必改变设计,也无须补强。国际工程咨询公司专家组在充分论证后也作出相同的结论。一场麻烦才由此平息。1995年,进行该桥车振试验,结果与曾庆元的理论计算吻合。实践是检验真理的唯一标准,大桥通车至今,列车通过时安全平稳。

上世纪90年代后期,我国决定列车提速。但这必将增大桥梁的振动,列车试验也表明确实如此。因此桥梁车振成了列车提速的关键性“瓶颈”之一。如何经济地进行桥梁加固便成了要解决的首要问题之一。19978月,某设计院邀请曾庆元帮助进行“京沈线大凌河多跨32m简支上承钢板梁桥”的分析计算。同时也歉意地告知:没有经费。但他欣然接受。没有任何资料,唯一知道的是当列车以80km/h速度通过该桥时振动剧烈的情况。他想起1995年实测湘黔线上货车构架蛇形波时,也是当列车80km/h时振动厉害。于是他断定二者能量输入是一致的,并按此进行分析计算。很快,结果出来。当设计院看到这一结果与他们实测值很接近时,非常惊喜。随即又寄来了其他上承钢板梁桥原型和加固设计图纸,请求继续帮助。曾庆元和研究生们一起,历时3个月,完成了10多座桥梁的分析计算。后来,他还为郑州铁路局和上海铁路局进行了几座桥梁的分析计算。这为我国列车提速解决桥梁横振问题提供了理论依据。19983月底,铁道部工务局欲证实他的计算精度,在不打招呼的情况下,组织桥梁检定队进行实测。有一天,工务局突然来电问曾庆元:我们实测大凌河桥钢板梁在75km/h时,钢梁上翼缘中点最大横向振动加速度是0.26g,你们去年计算的是多少?他当即查阅后回答说:“我们没算75km/h,只算了80km/h70km/h,结果分别是0.29g0.23g.”这个精度让工务局的人心服口服。这次“突然袭击”也更有力地证明了他理论的正确性和精确性。

 

“我希望他们能够成为真正的栋梁”

曾庆元的事业是从教学开始,而后才从事研究。他的执教生涯已半个世纪有余,可以说桃李满天下。在教学和治学中,其严格和严谨是有名的。他无论对本科生还是研究生,都要求他们有扎实而广阔的基础理论水平。对勤奋诚实的学生他格外喜欢,对有创新意识的学生更是偏爱。他说学桥梁的,不仅要具备专业知识,还必须有好的力学、数学基础,才会有高的起点。至今,他已指导了16位硕士生和23位博士生(其中17位已获学位)。他说:“人的生命总是有限的,但事业是无限的。我只希望他们能够成为真正的栋梁之材,并且青出于蓝而胜于蓝,这样社会才能发展。”

曾庆元平和谦逊。笔者采访时,仿佛是在与一位睿智的长者聊家常,让人轻松愉悦。他反复强调:“我是个‘土包子’,完全是本土成长的。我作得不多,有点成绩都是大家作的。”然而,由于客观条件的限制,在国内作出大的成果,实在不易。

曾庆元淡泊名利,这绝非溢美之词。1976年他在实践队时进行九江大桥的研究,成果获奖时,他没有名字;列车提速时的研究,他也在奖项中没有名字;1997年石长线湘江大桥施工时,他研究解决了大跨度造桥机设计的关键技术难题,由于该造桥机具有重大的实用价值,分别获得了铁道部和国家科技进步奖,还是没有他的名字……然而,他无怨无悔,乐此不疲。他认为“只要解决了问题就行,谁做的并不重要”。正因为他有这种为人类造福的信念和精神,才几十年如一日地执着追求,他才会有独特的思维方式和创新意识审视科学领域中的难题,才会创立一个又一个全新的理论和方法,创造出巨大的社会效益和经济效益。

 

让旅客乘车时更舒适更放心

曾庆元对“科学技术是第一生产力”“创新是科技的灵魂”“科教兴国”等思想极为赞赏。他认为改革开放以来,是知识分子真正的春天,所以要把握机遇。当笔者请他为年轻的科技工作者提点希望时,他欣然提笔:“善于学习,勤于工作,锐意创新,平凡做人。”这是他的希望,也是他的写照。

但他对目前科技界的一些问题也甚为担忧:极少数年轻人学习不扎实,缺乏无私奉献和艰苦奋斗的精神,表现出急功近利;搞理论研究的难以得到一些人的理解和支持。他说他对火车脱轨的理论研究就是这样,被认为是“阳春白雪”,结果搞了3年才争取到立项。科技腐败出现苗头——评奖过滥,水分太多。立项目、评奖、评职称甚至选院士都有拉关系走后门的。

曾庆元有一个幸福美满的家庭。3个子女都已成家立业,他们对老人都很孝顺。提起老伴,他充满深情。老伴虽文化程度不高,但很懂道理,非常理解和支持他的工作。无论在初创困难时期还是现在,她都始终如一地默默操持着家务。在她眼里,没有教授和院士,只有“只晓得帮公家做事的老头”。难怪曾庆元说:“如果说今天我作了点成绩的话,那也有她的一份功劳。”

曾庆元不吸烟不喝酒,生活很有规律,性格开朗。他最大的爱好是读书和散步。他每天都要散步,能走路时绝不坐车。他戏称自己为“二子”——“土包子”和“书呆子”。读书既是学习需要,也是兴趣使然。但他不“呆”,而且还很关心时事。当我们谈到美国的霸权主义行径时,曾庆元就谈了很多,很愤慨。

当选院士后,曾庆元并未就此退出科研一线,他时刻关注国家铁路运输安全问题,仍带领博士生奋战在科研一线,潜心研究列车脱轨机理和控制技术,完成了“长大列车”脱轨全过程分析,提出了“列车脱轨能量随机分析理论”等。2012年他进一步提出了“平稳运动稳定性分析的位移变分法”,解决了定常与非定常系统、大系统、控制系统、生态系统以及分叉系统等动力系统的运动稳定性分析问题,建立了系统平衡状态稳定性的力素增量判别准则;将上述力素准则转化为能量准则后,又提出了列车—轨道(桥梁)系统横向振动临界失稳车速计算理论。算出了我国高速铁路标准桥梁,线路(板式和双块式无砟轨道)列车运行失稳临界车速以及容许极限车速。

曾庆元对未来充满信心,真可谓“老骥伏枥,志在千里”。他说:“实现我国高速铁路安全性与经济性的协调发展还任重道远。我只想为早日实现这一目标贡献自己的的绵薄之力。”

 

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