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天降大任于斯人 不断求索成大家——记李国豪院士

2012-4-5 16:15| 发布者: lansebeiai| 查看: 2704| 评论: 0|来自: 《桥梁》杂志

摘要: 作为土木工程学家、桥梁结构力学专家和工程教育家,李国豪以其不懈的努力,在人生和事业的道路上取得了为世人瞩目的成就。他毕生致力于教学和科学研究工作,创造性地解决了大跨度桥梁结构中的空间和非线性分析方法以 ...


        作为土木工程学家、桥梁结构力学专家和工程教育家,李国豪以其不懈的努力,在人生和事业的道路上取得了为世人瞩目的成就。他毕生致力于教学和科学研究工作,创造性地解决了大跨度桥梁结构中的空间和非线性分析方法以及稳定和振动中的许多难题,对桥梁结构理论的发展做出了突出的贡献。

留学——奠定坚实理论基础

        1929年,16岁的李国豪考入当时以医科和工科著名的国立同济大学,经过两年德语预科的学习,他能够熟练地听、讲、读、写德语,这为他以后的学习、进修和国际学术交流创造了优越的条件。1938年秋,李国豪由德国洪堡奖学金资助到德国达姆施塔特工业大学进修。由于他的大学学习成绩特别突出,德国破例批准他直接考博士学位。1939年春,李国豪结合当时拟在汉堡修建的一座主跨800米的公路铁路两用悬索桥开始博士论文研究工作。他从悬索桥加劲梁变位理论(二阶理论)的弹性弯曲微分方程悟出悬索桥的受力相当于一个受竖向荷载的梁同时受一个轴向拉力。由此他延引出从概念到方法都十分新颖的《悬索桥按二阶理论实用计算方法》,并用模型试验加以验证。不到一年,他就完成了论文,并以最优异的成绩获得工学博士学位。论文在《钢结构》杂志发表后,在桥梁工程界引起了极大反响,从此这个中国人以“悬索桥李”出名。
        第二次世界大战期间,李国豪一直在雷帕尔教研室工作,除了参加钢结构焊接问题的研究外,对悬索桥、桁梁桥和结构稳定的分析都作出了创造性的成绩.发表了近10篇重要论文。
        首先,他继续针对汉堡拟建的悬索桥作了深入的研究。他揭示出三跨连续加劲梁不设中间支座的体系无支承弯矩高峰的优点,这种体系终于在70年代在美国修建的一座斜拉桥上被采用了;他深入分析铁路荷载对悬索桥的动力作用,其分析方法和分析结果都填补了当时的空白。
        1943年夏,他又接受了一个艰巨的任务,要求比较精确地分析一座90米跨度的多腹杆系钢桁架桥的主桁内力,如实考虑弦杆在节点的刚固连接。他经过长时间艰苦的思索,设想将桁架这个由杆件组成的离散体系化成为连续体的力学模型,用微分方程去求解,发表了论文《桁架和类似体系的结构分析新方法》。

归国——一心报国  硕果累累

        二次世界大战结束后,已迁至德国南部的李国豪偕同妻子叶景恩,历尽艰难回到祖国。在途经法国马赛时,他们的第一个孩子出世,取名“归华”,意喻回归中华,归华果然为全家带来了好运。几个月后,他们终于搭乘到了一艘从法国到越南的船只,到了西贡(现改名为胡志明市)。那是1946年3月。在西贡,领事馆招待了食宿,他记忆犹新,那伙食非常的糟,唯一值得庆幸的是,离祖国更近了一步;而他当时最大的心愿就是回到祖国去!到达上海后,他满怀期望去参加桥梁工程建设,但是并不顺利,于是又回到同济大学。1952年,他领导院系调整学校的专业建设,创办了桥梁工程专业,并先后出版了中国第一部在此领域的中文教材《钢结构设计》和《钢桥设计》;1955年开始培养桥梁工程研究生之后,又出版了《桥梁结构稳定与震动》。               1955年,42岁的李国豪成为首批中国科学院技术部学部委员(即今中国科学院院士)。1956年,出任同济大学副校长,不久,创办工程力学专业,亲自讲授板、壳力学,为中国培养出首批工程力学专业的大学生。自五十年代中期开始,他先后应聘担任举世闻名的武汉长江大桥和南京长江大桥的技术顾问委员会委员和主任委员。从那时起,这位才华卓著的学者为国家的众多重大工程建设(尤其是桥梁工程建设)呕心沥血,功绩辉煌。从武汉长江大桥、南京长江大桥,到后来的上海南浦大桥、江阴长江大桥、虎门珠江大桥、汕头海湾大桥、长江口交通通道、杭州湾交通通道、琼州海峡交通通道、伶仃洋大桥等处处都留下了他的足迹。
        1966年,“文革”开始,李国豪以莫须有罪名被囚于隔离室中,长达两年之久,他在隔离室从广播中获知南京长江大桥通车,他想起了武汉长江大桥,因为就在那年的通车典礼中,大桥出现了晃动现象,而晃动的原因始终没有一个令人信服的科学解释。他在囚室中开始了对这个问题的艰难研究。他两手空空,身无片纸,凭着一颗对祖国对事业的爱心,凭着卓越超群的理论基础,敏锐的创造思维和出色的记忆力,参考过去的成功经验,把桁梁桥这种空间离散体系化为连续体模型,建立弹性弯曲和扭转的微分方程去求解。他利用仅有的报纸的边角和夹缝,偷偷地推导和计算,达到了忘我的境界,经过近一年的功夫,终于取得了理论分析的初步成功。
        而后,在校内监督劳动期间,他在家里做桁梁桥模型和扭转试验,并继续完善理论分析计算,最后于1973年完成了他在多年“囚徒”岁月中呕心沥血写成的专著《桁梁扭转理论——桁梁桥的扭转、稳定和振动》,它既阐明了武汉大桥的振动问题,又开拓了桁梁桥结构的分析理论。从七十年代开始,李国豪还结合工程实际,致力于公路桥梁荷载横向分布的研究,并在这一时期内写成专著《公路桥梁荷载横向分布计算》;后又推广于研究拱桥、曲线桥和斜梁桥的荷载横向分布,再获成功。至此,这位结构工程的专家已建构起一个基于同一原理和力学模式、适用于中外各种公路桥梁的、荷载横向分布计算的统一方法。进入八十年代,他先后主持编写《工程结构抗震动力学》和《工程结构抗爆动力学》,重建结构理论研究所,组建桥梁研究室,开展桥梁的空间分析、稳定、抗震、风振和车辆振动方面的研究,培养了大批的博士研究生,由此进而形成地震工程、风工程和桥梁工程的研究中心。
        从50年代起,李国豪就积极参加国内外的学术活动。80年代起,他先后担任上海市科学技术协会主席,中国土木工程学会桥梁及结构工程学会理事长,中国土木工程学会理事长,中国科协工程学会联合会主席,以及美国土木工程学会“缆索悬吊桥梁技术委员会”的委员和顾问等。80年代初,李国豪作为上海宝山钢铁总厂工程的技术顾问委员会首席顾问,在避免一期工程下马和解决工程中的桩基水平位移问题时,分别以其远见卓识和出色的理论分析做出了重大贡献。他还负责主编了《辞海》土建分部和《中国大百科全书》土木卷。
        作为国际桥梁与结构工程协会的常设委员会委员和中国组组长,在1981年,被协会推选为世界十大著名结构工程专家之一。1987年,又荣获协会授予的“国际结构工程功绩奖”。这一荣誉,是对李国豪长期为发展桥梁结构理论和培养人才做出贡献的崇高奖赏。

创新——开创桥梁理论新篇章

        李国豪在大跨度桥梁结构中的空间和非线性分析方法以及稳定和振动问题作出许多开创性的工作。

“悬索桥李”——变为理论的实用方法

        李国豪在研究悬索桥变位理论实用方法中发现:
        1.悬索桥变位引起非线性项相当于将主索的水平拉力直接作用在加劲梁上的效果。根据这一发现所提出的等效模型不但揭示了悬索桥力学本质,而且使这种复杂的结构分析一下子被简化了,特别是为了振动分析铺平了道路。
        2.虽然非线性项的存在使迭加原理失效,但影响线却是桥梁计算中确定最不利加载位置的依据。考虑到大跨度悬索桥中活载相比于恒载较小的特点,李国豪提出了“奇异”影响线的概念,将非线性问题在有限制的范围内加以线性化。
        3.为了减轻反复试算和迭代计算的困难,李国豪找到了通过三次线性理论的计算,然后以内插求解的途径,巧妙地解决了问题。
        上述三个基本思想构成了他的实用方法的骨架。这在40年代初是具有重大意义的突破。虽然在计算机已经普及的今天,人们已能方便地进行各种复杂的非线性分析,但李国豪的贡献在方法论上的意义却是永存的,他的论文至今仍作为经典悬索桥二阶理论的宝贵历史遗产而被各国教材所引用。特别是在德国,“悬索桥李”的美名一直在土木工程界流传着。

结构稳定理论

        在20世纪40年代初,理想中心压杆的欧拉临界力,即第一类稳定的分支压屈荷载已为工程界所掌握,而偏心压杆的第二类稳定压溃荷载的研究尚处于探索阶段。对于压弯杆件包括一些压弯的框架和拱是否存在分支点的问题,当时还缺少明确的认识。
李国豪在参加DIN4114规范的工作中意识到区分两类不同性质的稳定问题的重要性。他以能量变分的形式于1943年提出的“弹性平衡分支的充足辨别准则”一文,从理论的高度阐明了两者的本质区别和辨别准则。他的研究表明由齐次方程所描述的平衡是其他各种可能的、由非齐次方程或积分方程所描述的平衡问题的一个特例。平衡存在分支点的条件是只要所给定的平衡状态中,不包含系统最低固有函数形式的变形分量。
        这一辨别准则虽然不是提供具体的稳定验算方法,但却具有普遍的指导意义。它对于具有初始弯曲或扭转的实际结构,如板的翘曲、梁的侧倾、拱和刚架的屈曲以及杆的弯扭屈曲和桁梁桥侧倾稳定等都是适用的。

离散杆系结构的连续化分析方法和桁梁弯曲与扭转理论

        桁架是一种离散的杆系结构。在计算机尚未问世的40年代、用古典的力法分析,即使只有十余次超静定桁架结构也是一件十分繁重的工作。1943年,李国豪在分析一座复杂的多腹杆菱形桁架体系时,面对50多次超静定结构的困难,他想到了当时处理悬索桥吊杆的“膜理论”,将离散的桁架体系也化成连续体系,用微分方程来处理。他仔细推导了刚度转换的等效关系,并用模型试验反复验证,经过多次改进,终于达到了理论和试验的一致,写出了题为“桁架和类似体系结构计算的新方法”的论文,为桁架结构分析开辟了一条新的途径,在离散结构和连续结构之间架起了桥梁。30年以后,李国豪又拿起了这一武器,把桁梁桥这种空间杆系结构和闭口薄壁杆件的弯扭理论联系起来,建立了“桁梁的弯曲与扭转理论”,系统地解决了桁梁结构的空间分析、稳定分析和振动分析的整套计算方法。同时也澄清了武汉长江大桥的晃动现象的本质。李国豪还将当时刚刚诞生的有限元法的思想引入了桁梁桥的分析。他把连续化了的桁梁结构再分段离散,建立了特殊的“桁梁有限元”,其中包括了反映桁梁横截面翘曲和畸变的必要的位移参教。分段离散后的单元又便于处理变截面和多跨连续等的实际情况以及考虑桁梁、拱和悬索等其他体系的相互组合,达到了灵活多变的境界。特别是对于稳定和振动分析,既能大大节省计算时间,又能取得足够准确的结果。

桥梁振动理论

        在30年代,铁路桥梁在蒸汽机引列车通过时的强迫振动及冲击系数问题是一个十分热门的前沿课题,没有人想到要研究像悬索桥的自振特性,并且顺利地将Inglis用于梁式桥的振动理论移植过来,得到了满意的解答。50年代,他又将悬索桥的振动理论推广应用于“拱桥振动问题”。
        60年代,他承担了结构抗爆的研究任务。结构抗爆问题的本质涉及到钢筋混凝土地下防护结构的弹塑性振动力学,土动力学和爆炸波动力学等领域,这是一个尖端的非线性振动课题。
        1978年起,面对我国大跨度斜拉桥日益增多的新形势,李国豪从研究斜拉桥动力分析有限元法入手,又开辟了桥梁抗风研究的新领域。经过多年努力,培养了一批人才;在桥梁风振理论领域创造性地提出了“多振型耦合颤振”的新概念,澄清了国际上将悬索桥的颤振理论直接用于斜拉桥所带来的一些模糊问题;改进了颤振分析的实验方法和数值计算方法,不仅在国内居领先地位,而且引起了国际工程界的注意。
        1988年,李国豪已值古稀之年,但仍壮心不已,兴致勃勃地探索斜拉桥颤振后性能的问题,这是一个从未有人研究过的领域。目的是为了使斜拉桥这一经济合理的桥型向更大跨度发展,最大程度地发挥其抗风潜力。他的理论研究取得了有意义的成果,阐明了斜拉桥颤振后的振动之所以不迅速发散是由于斜缆索的“有效弹性模量”的非线性,而不是实际不存在的所谓“系统阻尼”作用的结果。在结构振动的领域,他的贡献遍及抗车辆冲击、抗爆炸、抗震和抗风等所有方面。从基于变分原理的近似解析手段到有限元的数值解,他经历了计算机前和计算机后两个不同的时代。他不仅是驾驶经典手法的巨匠,也是运用新技术的能手。

桥梁荷载横向分布理论及桥梁空间分析

        桥梁是一个空间结构,为了使空间分析平面化,荷载横向分布的计算是必不可少的。世界各国的学者在处理这一问题的过程中,形成了许多派别。他们的力学模型大都是一种近似处理,也都存在着各自的缺点。70年代初,李国豪下放到镇北黄河大桥劳动时,结合工程实际,分析比较已有方法的优缺点,提出了一种原理简单、又能概括所有其他各种计算方法的新的梁系模型。这一力学模型的特点是将桥面板沿纵向割开形成各主梁单元,同时将少数几根横隔梁的刚度分摊到桥面板中。在割开的板缝中忽略法向力和纵向剪力,只保留两个对荷载分布起主要作用的竖向剪力和弯矩。最后利用计算荷载横向分布的基本假定:即以正弦形状荷载代替实际的列车荷载,使计算实用化。通过模型试验,检验了方法的合理性和足够的精度,并进一步编制了便于实用的图表。新的梁系模型与实际桥梁最为接近,比梁格模型的精度高,又克服了各向异性板模型需要来回换算的缺点,同时在计算中也反映了少数横隔梁的重要作用。对于常用铰接板和铰接T梁桥,只要进一步略去板缝中的弯矩即可。因此,1977年,李国豪的《公路桥梁荷载横向分布计算》一书的出版,就成了这一延续30年的传统课题的最后总结。
        1978年,李国豪还发表了“拱桥荷载横向分布理论分析”一文,大大改进了当时在拱桥设计中普遍采用的平均分配法或刚性分配法等十分粗略的荷载横向分布计算。拱桥作为既受轴力又受弯矩的机构,有着不同于桥梁的荷载分布规律。在它的理论分析中必须考虑分割的相邻拱单元之间的所有内力。李国豪引伸对梁式桥的分析方法与拱桥,建立了这方面的理论,并以现场测试结果作了验证。1989年,他又进一步推广这种分析方法,完成了曲线桥荷载横向分布计算的研究。
        在李国豪对桥梁空间分析的贡献中,除前面在桁梁的弯曲与扭转理论中所说的以外,应当特别提到他在1958年发表的“斜交各向异性板弯曲理论及其对于斜桥的应用”一文。他针对斜桥的实际构造,将正交各向异性板理论,通过斜交坐标延伸为斜交梁格系理论成为它的两个特例。李国豪的这一开拓性的工作很快就引起了国外力学工作者的重视,并以“李氏理论”为名被学术界所引用。

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