當前位置：來源：中國科學報 作者：伍礪矛 周智輝 文穎 時間：2013-12-13
曾慶元，1925年10月出生，江西泰和人，橋梁工程動力學專家?，F任中南大學教授、博士生導師。1999年當選為中國工程院院士。長期從事橋梁振動與穩(wěn)定的教學和研究，以其獨特的思維方式和勇于創(chuàng)新的精神，創(chuàng)立了“列車—橋梁時變系統(tǒng)橫向振動分析理論”，解決了鐵路橋梁橫向振動的理論問題。他提出的“彈性系統(tǒng)動力學勢能不變值原理”和“形成系統(tǒng)矩陣的‘對號入座’法則”、“彈性系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的總勢能判別準則”等理論，對經典動力學理論作出了重要的補充和發(fā)展，使我國在這一領域的研究處于國際領先地位。
清貧的父母發(fā)誓要送出一位“文曲星”
曾慶元出生在贛中偏西的泰和縣農村，這里西鄰井岡山區(qū)，是一片地薄物貧的丘陵地帶。當地人世代為生存而掙扎，幾乎沒有真正意義上的讀書人。曾慶元家也是世代務農，家境貧寒。父母送他上私塾原本也只想讓他認幾個字，能寫自己的名字。但他表現出聰穎的天資和超常的記憶。每天早晨先生監(jiān)讀課文，讀一句就用筆劃一句，讀完即背。他每次都能很流暢地背出，對于課堂上的提問，更是不在話下。
他有個伯父叫曾肇元，做些小生意，見多識廣，思想開明，又有著強烈的“唯有讀書高”的觀念。當他發(fā)現侄兒很有天分，就經常力勸曾慶元的父母送兒子讀書，說這孩子將來是個“文曲星”，并表示愿意盡力資助。父母也看出了兒子的不同尋常之處，發(fā)誓砸鍋賣鐵、忍饑挨餓也要為這窮鄉(xiāng)村送出一個“文曲星”。后來曾慶元進了縣立初級中學。
曾慶元說：“伯父對我一生影響最大、恩重如山的人?！北M管伯父已去世多年，他至今談及時依然充滿懷念和感激之情。
在縣立中學，他知道自己讀書的機會來之不易，因此非?？炭?。他的成績總是名列前茅，尤以數學突出，當時他就自學了范氏大代數。1943年，他以優(yōu)異的成績考取吉安的一所高中。1946年，他又以優(yōu)異的成績考取南昌國立中正大學（即現在的南昌大學）土木系。1950年畢業(yè)后留校任教。
1953年院系調整，曾慶元來到長沙中南土建學院（現湖南大學）橋隧系。同年底，他被選派到哈爾濱工業(yè)大學當研究生，學土木結構。由于后來蘇聯專家沒來，他學了半年俄語后又被轉派到清華大學土木系當研究生，學習鋼結構。1956年畢業(yè)后回到長沙。由于學習期間他總是“吃不飽”，所以除規(guī)定課程外，他還專攻了彈性力學、彈性穩(wěn)定理論、空間結構分析理論、結構動力學等課程。并且出色地完成了《跨度100m飛機庫圓柱網殼屋蓋結構》的畢業(yè)設計。這為他后來的發(fā)展奠定了堅實而廣闊的基礎。
“我只不過是比別人機遇好些”
曾慶元在談及成就時，總是說“我只不過是比別人機遇好些”。
1960年8月，長沙鐵道學院剛建院，曾慶元就來到該院橋隧系。鐵道學院初建伊始，百業(yè)待興。這年秋季開學時，教學樓尚只建到三樓，還沒有窗戶，只好邊建邊用。于是出現了上面建房，下面上課的奇觀。墻上釘兩顆釘子，掛上一塊涂黑的木板，四處收湊來的課桌椅，合起來就成了教室。居住條件、生活環(huán)境、教學場地、科教設備都很簡陋。加上當時曾慶元患坐骨神經痛未愈就出院，上課都是一拐一拐的。而他主要的精力和時間又必須放在教學上，因為國家需要更多的基礎性人才。在這種情形下，搞出科研成果的難度不言而喻。但他對科研有著強烈的興趣，常擠出時間，克服重重困難研究鋼結構疲勞。1963年，他在這一領域的第一項成果誕生——寫出了《構件應力集中截面疲勞強度的計算》，導出了金屬疲勞裂縫形成條件的方程式及疲勞破壞條件的一般方程式。有關專家審定認為論文的基本觀點有根據、結果好，但需要大量實驗驗證。限于實驗條件，他不得不終止該研究，而轉向橋梁振動的研究。1964年他寫出了《鋼連續(xù)梁橋豎向振動近似計算》，并提出了計算式。這一成果使鐵路梁橋豎向振動的分析計算方法有了重要發(fā)展。
正當他躊躇滿志時，“文化大革命”開始了。他和所有知識分子一樣，很難繼續(xù)科研。1969年，他被派到人防辦修防空洞。好在事情不多，他就利用空閑，躲進三尺小屋，偷偷讀書，繼續(xù)他的研究，真是“禍兮福所伏”。他說：“我因禍得福，那幾年反倒讓我理論上提高不少?！彼灾两袼颊J為，他真正從事橋梁振動研究是從1972年開始的。
那是1972年鐵道部大橋工程局組織鋼橋振動專題研究組，以成昆線192m簡支鋼桁梁橋模型為對象，研究鋼橋空間自由振動及靜力偏載位移內力分布。他有幸與著名橋梁工程專家李國豪教授一道應邀參加理論分析。在這一研究中，他建立起了一種全新的理論分析方法。寫成《簡支下承桁梁偏載變位、內力及自由振動計算方法》和《504橋模型偏載變位、內力及自由振動計算》兩篇長篇論文。這一成果開創(chuàng)了解析法解決桁梁空間分析問題的先例。
應該說，曾慶元科研真正的黃金時期是從1979年開始的。1978年我國恢復研究生招生制度，這年他晉升為副教授，并指導研究生。這時他才真正選擇橋梁車振（特別是橫向振動）為自己的研究方向。
橋梁車振研究已有百余年歷史，其中豎向振動問題已基本解決。而橫向振動研究從1920年蘇聯專家開始，一直沒有大的突破和進展。當曾慶元步入這一領域時，發(fā)現里面有太多太多未被開墾的處女地。這對于科研工作者無異于哥倫布發(fā)現新大陸，這大概就是他所言的“機遇”吧。
今天，曾慶元在這一領域已實現許多重大突破——他基于達朗貝爾原理和虛功原理，提出了“彈性系統(tǒng)動力學總勢能不變值原理”、形成系統(tǒng)矩陣的“對號入座”法則及“彈性系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的總勢能判別準則”。這些原理和法則不僅有應用價值，而且對經典動力學理論作出了重要的補充和發(fā)展。
“我的研究竟引來了一場麻煩”
1957年，我國一座著名的公路鐵路兩用橋舉行通車典禮，人們歡呼雀躍地擁上橋面。隨即人們明顯感到大橋在晃動！人群恐慌起來，有的人甚至趴在橋上。這種現象直到人群散去為止。這就是橋梁橫向振動現象。它不僅會給司機和乘客造成心理恐慌，更重要的是它還會導致列車脫軌。因此，橋梁橫振成了長期以來困擾橋梁工作者的一個難題。怎樣才能使橋梁既平穩(wěn)又經濟？關鍵是要確立橋梁必需的橫向剛度。由于不同橋梁要求不同，所以必須首先建立一個可普遍應用的最簡計算方程。
橋梁振動的隨機性非常大，國內外一般是以時不變系統(tǒng)振動隨機分析理論來研究的，曾慶元對此不以為然。他在研究橋梁振動實測位移時發(fā)現：同一機車、同一橋梁、同一軌道在同樣車速下的各次實測橋梁橫向振動位移會相差幾倍。于是他用能量守恒與轉換定律來解釋這一現象：各次試驗車橋宏觀條件雖然相同，但各次輸入的能量不同。輸入的能量多，產生的橋梁橫向振動位移大，反之位移就小。這就像燒開水，火越猛，水分子積聚的能量越大，水分子振動也就越厲害。因此，橋梁振動位移的隨機性，反映出輸入能量的隨機性；反過來說，輸入能量的隨機性也反映出橋梁振動位移的隨機性。由此他提出“列車—橋梁時變系統(tǒng)橫向振動能量隨機分析理論”，解決了橋梁橫向振動的隨機分析問題。后來，他又提出了橋梁橫向剛度分析理論，算出的橋梁橫向剛度限值與國內外按經驗制定的限值非常接近。就這樣他創(chuàng)立了一整套嶄新的列車—橋梁時變系統(tǒng)橫向振動分析理論。該理論引起了橋梁工程界的轟動，曾慶元也從此被學術界所關注。
1987年，他受鐵道部大橋工程局委托，主持九江長江大橋拱—桁組合體系鋼橋動力特性及橫向剛度的研究。歷時3年，該研究順利完成，為大橋設計提供了理論依據。但意想不到的是，它竟引來一場不小的麻煩。1990年初，正當大橋火熱施工時，一位高工致信國務院說該橋鋼梁橫向剛度計算有誤，如不重新計算，改變設計，建成后將導致橋毀人亡！國務院立即責成國際工程咨詢公司進行審查論證。有的專家為慎重起見，也建議停工。而此時全部橋墩已建成，大多鋼梁構件也已造好。如果停工返工，將造成上億元損失且須推遲大橋竣工，后果不堪設想。鐵道部召集專家，也組成論證組，與國際工程咨詢公司專家組同時工作。鐵道部論證組根據曾慶元1989年的計算，結合國際通用的規(guī)范標準，經反復論證后作出結論：該橋鋼梁橫向剛度能充分保證列車安全平穩(wěn)運行，不必改變設計，也無須補強。國際工程咨詢公司專家組在充分論證后也作出相同的結論。一場麻煩才由此平息。1995年，進行該橋車振試驗，結果與曾慶元的理論計算吻合。實踐是檢驗真理的唯一標準，大橋通車至今，列車通過時安全平穩(wěn)。
上世紀90年代后期，我國決定列車提速。但這必將增大橋梁的振動，列車試驗也表明確實如此。因此橋梁車振成了列車提速的關鍵性“瓶頸”之一。如何經濟地進行橋梁加固便成了要解決的首要問題之一。1997年8月，某設計院邀請曾慶元幫助進行“京沈線大凌河多跨32m簡支上承鋼板梁橋”的分析計算。同時也歉意地告知：沒有經費。但他欣然接受。沒有任何資料，唯一知道的是當列車以80km/h速度通過該橋時振動劇烈的情況。他想起1995年實測湘黔線上貨車構架蛇形波時，也是當列車80km/h時振動厲害。于是他斷定二者能量輸入是一致的，并按此進行分析計算。很快，結果出來。當設計院看到這一結果與他們實測值很接近時，非常驚喜。隨即又寄來了其他上承鋼板梁橋原型和加固設計圖紙，請求繼續(xù)幫助。曾慶元和研究生們一起，歷時3個月，完成了10多座橋梁的分析計算。后來，他還為鄭州鐵路局和上海鐵路局進行了幾座橋梁的分析計算。這為我國列車提速解決橋梁橫振問題提供了理論依據。1998年3月底，鐵道部工務局欲證實他的計算精度，在不打招呼的情況下，組織橋梁檢定隊進行實測。有一天，工務局突然來電問曾慶元：我們實測大凌河橋鋼板梁在75km/h時，鋼梁上翼緣中點最大橫向振動加速度是0.26g,你們去年計算的是多少？他當即查閱后回答說：“我們沒算75km/h,只算了80km/h和70km/h,結果分別是0.29g和0.23g.”這個精度讓工務局的人心服口服。這次“突然襲擊”也更有力地證明了他理論的正確性和精確性。
“我希望他們能夠成為真正的棟梁”
曾慶元的事業(yè)是從教學開始，而后才從事研究。他的執(zhí)教生涯已半個世紀有余，可以說桃李滿天下。在教學和治學中，其嚴格和嚴謹是有名的。他無論對本科生還是研究生，都要求他們有扎實而廣闊的基礎理論水平。對勤奮誠實的學生他格外喜歡，對有創(chuàng)新意識的學生更是偏愛。他說學橋梁的，不僅要具備專業(yè)知識，還必須有好的力學、數學基礎，才會有高的起點。至今，他已指導了16位碩士生和23位博士生（其中17位已獲學位）。他說：“人的生命總是有限的，但事業(yè)是無限的。我只希望他們能夠成為真正的棟梁之材，并且青出于藍而勝于藍，這樣社會才能發(fā)展?！?/P>
曾慶元平和謙遜。筆者采訪時，仿佛是在與一位睿智的長者聊家常，讓人輕松愉悅。他反復強調：“我是個‘土包子’，完全是本土成長的。我作得不多，有點成績都是大家作的?！比欢?，由于客觀條件的限制，在國內作出大的成果，實在不易。
曾慶元淡泊名利，這絕非溢美之詞。1976年他在實踐隊時進行九江大橋的研究，成果獲獎時，他沒有名字；列車提速時的研究，他也在獎項中沒有名字；1997年石長線湘江大橋施工時，他研究解決了大跨度造橋機設計的關鍵技術難題，由于該造橋機具有重大的實用價值，分別獲得了鐵道部和國家科技進步獎，還是沒有他的名字……然而，他無怨無悔，樂此不疲。他認為“只要解決了問題就行，誰做的并不重要”。正因為他有這種為人類造福的信念和精神，才幾十年如一日地執(zhí)著追求，他才會有獨特的思維方式和創(chuàng)新意識審視科學領域中的難題，才會創(chuàng)立一個又一個全新的理論和方法，創(chuàng)造出巨大的社會效益和經濟效益。
讓旅客乘車時更舒適更放心
曾慶元對“科學技術是第一生產力”“創(chuàng)新是科技的靈魂”“科教興國”等思想極為贊賞。他認為改革開放以來，是知識分子真正的春天，所以要把握機遇。當筆者請他為年輕的科技工作者提點希望時，他欣然提筆：“善于學習，勤于工作，銳意創(chuàng)新，平凡做人。”這是他的希望，也是他的寫照。
但他對目前科技界的一些問題也甚為擔憂：極少數年輕人學習不扎實，缺乏無私奉獻和艱苦奮斗的精神，表現出急功近利；搞理論研究的難以得到一些人的理解和支持。他說他對火車脫軌的理論研究就是這樣，被認為是“陽春白雪”，結果搞了3年才爭取到立項?？萍几瘮〕霈F苗頭——評獎過濫，水分太多。立項目、評獎、評職稱甚至選院士都有拉關系走后門的。
曾慶元有一個幸福美滿的家庭。3個子女都已成家立業(yè)，他們對老人都很孝順。提起老伴，他充滿深情。老伴雖文化程度不高，但很懂道理，非常理解和支持他的工作。無論在初創(chuàng)困難時期還是現在，她都始終如一地默默操持著家務。在她眼里，沒有教授和院士，只有“只曉得幫公家做事的老頭”。難怪曾慶元說：“如果說今天我作了點成績的話，那也有她的一份功勞?！?/P>
曾慶元不吸煙不喝酒，生活很有規(guī)律，性格開朗。他最大的愛好是讀書和散步。他每天都要散步，能走路時絕不坐車。他戲稱自己為“二子”——“土包子”和“書呆子”。讀書既是學習需要，也是興趣使然。但他不“呆”，而且還很關心時事。當我們談到美國的霸權主義行徑時，曾慶元就談了很多，很憤慨。
當選院士后，曾慶元并未就此退出科研一線，他時刻關注國家鐵路運輸安全問題，仍帶領博士生奮戰(zhàn)在科研一線，潛心研究列車脫軌機理和控制技術，完成了“長大列車”脫軌全過程分析，提出了“列車脫軌能量隨機分析理論”等。2012年他進一步提出了“平穩(wěn)運動穩(wěn)定性分析的位移變分法”，解決了定常與非定常系統(tǒng)、大系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)以及分叉系統(tǒng)等動力系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性分析問題，建立了系統(tǒng)平衡狀態(tài)穩(wěn)定性的力素增量判別準則；將上述力素準則轉化為能量準則后，又提出了列車—軌道（橋梁）系統(tǒng)橫向振動臨界失穩(wěn)車速計算理論。算出了我國高速鐵路標準橋梁，線路（板式和雙塊式無砟軌道）列車運行失穩(wěn)臨界車速以及容許極限車速。
曾慶元對未來充滿信心，真可謂“老驥伏櫪，志在千里”。他說：“實現我國高速鐵路安全性與經濟性的協調發(fā)展還任重道遠。我只想為早日實現這一目標貢獻自己的的綿薄之力?！?/P>
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