中國橋梁專家-李國豪
2015-04-22
李國豪生平介紹
1913年4月出生，廣東梅州人，橋梁工程與結(jié)構(gòu)力學(xué)專家，中國科學(xué)院院士，中國工程院院士。
1936年畢業(yè)于同濟大學(xué)土木系，1938年至1945年在德國達姆斯塔特工業(yè)大學(xué)專攻橋梁工程和結(jié)構(gòu)力學(xué)，1940年和1942年先后獲工學(xué)博士和特許教博士學(xué)位，發(fā)表的重要論文有“懸索橋按二階理論實用計算方法”，“彈性平衡分支充分差別準則”及“桁架和類似結(jié)構(gòu)分析新方法”等，被譽為“懸索橋李”。
1946年夏回國后，李國豪任上海市工務(wù)局工程師，同時擔任同濟大學(xué)教授，1956年任同濟大學(xué)副校長，1977年至1984年任校長，此后任名譽校長。
武漢長江大橋、南京長江大橋、江陰長江大橋、上海南浦大橋、廣東虎門大橋……都凝聚著李國豪的智慧。
上世紀50年代，長江上第一座大橋——武漢長江大橋建成。60年代，我國自己建造的南京長江大橋通車。
但是，這兩座大橋都存在晃動現(xiàn)象。“文化大革命”期間，李國豪被關(guān)押批斗，困于囚室的他在報紙的邊角上做演算，用賽璐璐貼片做實驗?zāi)Ｐ?，?jīng)過幾年的艱苦研究，終于揭開了大橋晃動的秘密。
上世紀80年代初，上海醞釀在黃浦江上造大橋。李國豪和同事們提出了疊合梁斜拉橋的方案。這個方案的優(yōu)點，一是重量輕，二是施工時間短。李國豪向江澤民同志坦陳了我國橋梁工程界的進步，積極爭取由中國人自己來建造黃浦江大橋。江澤民同志果斷拍板：“就由中國人自己設(shè)計。”南浦大橋的建成通車，樹立了中國橋梁界的民族自信心，還創(chuàng)造了當時斜拉橋跨度的世界新紀錄。
李國豪擔任同濟大學(xué)校長時，他的嚴謹治學(xué)和求實敬業(yè)精神給弟子留下了深刻的印象。范立礎(chǔ)院士是李國豪教授的一個大弟子。好多年前，一直對自己政治上的進步信心不足的范立礎(chǔ)，在陪同李校長出國考察途中被先生認真地追問：“你為什么不爭取加入中國共產(chǎn)黨？”范立礎(chǔ)老實地坦白，是怕黨組織不批準。李校長開導(dǎo)說，你應(yīng)該首先考慮對自己是不是該嚴格要求一點，從那時起，范立礎(chǔ)開始積極爭取入黨，經(jīng)過多年努力，終于在1984年成了一名光榮的共產(chǎn)黨員。
懸索橋李］——變位理論的實用方法
李國豪在研究懸索橋變位理論實用方法中發(fā)現(xiàn)：
１．懸索橋變位引起非線性項相當于將主索的水平拉力直接作用在加勁梁上的效果。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)所提出的等效模型不但揭示了懸索橋力學(xué)本質(zhì)，而且使這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析一下子被簡化了，特別是為了振動分析鋪平了道路。
２．雖然非線性項的存在使迭加原理失效，但影響線卻是橋梁計算中確定最不利加載位置的依據(jù)?？紤]到大跨度懸索橋中活載相比于恒載較小的特點，李國豪提出了“奇異”影響線的概念，將非性問題在有限制的范圍內(nèi)加以線性化。
３．為了減輕反復(fù)試算和迭代計算的困難，李國豪找到了通過三次線性理論的計算，然后以內(nèi)插求解的途徑，巧妙地解決了問題。
上述三個基本思想構(gòu)成了他的實用方法的骨架。這在40年代初是具有重大意義的突破。雖然在計算機已經(jīng)普及的今天，人們已能方便地進行各種復(fù)雜的非線性分析，但李國豪的貢獻在方法論上的意義卻是永存的，他的論文至今仍作為經(jīng)典懸索橋二階理論的寶貴歷史遺產(chǎn)而被各國教材所引用。特別是在德國，“懸索橋李”的美名一直在土木工程界流傳著。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論
在40年代初，理想中心壓桿的歐拉臨界力，即第一類穩(wěn)定的分支壓屈荷載已為工程界所掌握，而偏心壓桿的第二類穩(wěn)定壓潰荷載的研究尚處于探索階段。對于壓彎桿件包括一些壓彎的框架和拱是否存在分支點的問題，當時還缺少明確的認識。
李國豪在參加DIN4114規(guī)范的工作中意識到區(qū)分兩類不同性質(zhì)的穩(wěn)定問題的重要性。他以能量變分的形式于1943年提出的“彈性平衡分支的充足辨別準則一文，從理論的高度闡明了兩者的本質(zhì)區(qū)別和辨別準則。他的研究表明：由齊次方程所描述的平衡是其他各種可能的、由非齊次方程或積分方程所描述的平衡問題的一個特例。平衡存在分支點的條件是只要所給定的平衡狀態(tài)中，不包含系統(tǒng)最低固有函數(shù)形式的變形分量。
這一辨別準則雖然不是提供具體的穩(wěn)定驗算方法，但卻具有普遍的指導(dǎo)意義。它對于具有初始彎曲或扭轉(zhuǎn)的實際結(jié)構(gòu)，如板的翹曲、梁的側(cè)傾、拱和剛架的屈曲以及桿的彎扭屈曲和桁梁橋側(cè)傾穩(wěn)定等都是適用的。
離散桿系結(jié)構(gòu)的連續(xù)化分析方法和桁梁彎曲與扭轉(zhuǎn)理論
桁架是一種離散的桿系結(jié)構(gòu)。在計算機尚未問世的40年代，用古典的力法分析，即使只有十余次超靜定桁架結(jié)構(gòu)也是一件十分繁重的工作。1943年，李國豪在分析一座復(fù)雜的多腹桿菱形桁架體系時，面對50多次超靜定結(jié)構(gòu)的困難，他想到了當時處理懸索橋吊桿的“膜理論”，將離散的桁架體系也化成連續(xù)體系，用微分方程來處理。他仔細推導(dǎo)了剛度轉(zhuǎn)換的等效關(guān)系，并用模型試驗反復(fù)驗證，經(jīng)過多次改進，終于達到了理論和試驗的一致，寫出了題為“桁架和類似體系結(jié)構(gòu)計算的新方法”的論文，為桁架結(jié)構(gòu)分析開辟了一條新的途徑，在離散結(jié)構(gòu)和連續(xù)結(jié)構(gòu)之間架起了橋梁。30年以后，李國豪又拿起了這一武器，把桁梁橋這種空間桿系結(jié)構(gòu)和閉口薄壁桿件的彎扭理論聯(lián)系起來，建立了“桁梁的彎曲與扭轉(zhuǎn)理論”，系統(tǒng)地解決了桁梁結(jié)構(gòu)的空間分析、穩(wěn)定分析和振動分析的整套計算方法。同時也澄清了武漢長江大橋的晃動現(xiàn)象的本質(zhì)。
李國豪還將當時剛剛誕生的有限元法的思想引入了桁梁橋的分析。他把連續(xù)化了的桁梁結(jié)構(gòu)再分段離散，建立了特殊的“桁梁有限元”，其中包括了反映桁梁橫截面翹曲和畸變的必要的位移參數(shù)。分段離散后的單元又便于處理變截面和多跨連續(xù)等的實際情況以及考慮桁梁、拱和懸索等其他體系的相互組合，達到了靈活多變的境界。特別是對于穩(wěn)定和振動分析，既能大大節(jié)省計算時間，又能取得足夠準確的結(jié)果。
橋梁振動理論
在30年代，鐵路橋梁在蒸汽機牽引列車通過時的強迫振動及沖擊系數(shù)問題是一個十分熱門的前沿課題，沒有人想到要研究像懸索橋這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動問題。他很快就弄清了懸索橋的自振特性，并且順利地將Ing1is用于梁式橋的振動理論移植過來，得到了滿意的解答。
50年代，他又將懸索橋的振動理論推廣應(yīng)用于“拱橋振動問題”。
60年代，他承擔了結(jié)構(gòu)抗爆的研究任務(wù)。結(jié)構(gòu)抗爆問題的本質(zhì)涉及到鋼筋混凝土地下防護結(jié)構(gòu)的彈塑性振動力學(xué)，土動力學(xué)和爆炸波動力學(xué)等領(lǐng)域，這是一個尖端的非線性振動課題。李國豪使同濟大學(xué)逐漸成為我國防護工程和地震工程學(xué)科的研究中心之一。
1978年起，面對我國大跨度斜拉橋日益增多的新形勢，李國豪從研究斜拉橋動力分析有限元法入手，又開辟了橋梁抗風(fēng)研究的新領(lǐng)域。經(jīng)過多年努力，培養(yǎng)了一批人才；在橋梁風(fēng)振理論領(lǐng)域創(chuàng)造性地提出了“多振型耦合顫振”的新概念，澄清了國際上將懸索橋的顫振理論直接用于斜拉橋所帶來的一些模糊問題；改進了顫振分析的試驗方法和數(shù)值計算方法，不僅在國內(nèi)居領(lǐng)先地位，而且引起了國際工程界的注意。
1988年，李國豪已值古稀之年，但仍壯心不已，興致勃勃地探索斜拉橋顫振后性能的問題，這是一個從未有人研究過的領(lǐng)域。目的是為了使斜拉橋這一經(jīng)濟合理的橋型向更大跨度發(fā)展，最大程度地發(fā)揮其抗風(fēng)潛力。他的理論研究取得了有意義的成果，闡明了斜拉橋顫振后的振動之所以不迅速發(fā)散是由于斜纜索的“有效彈性模量”的非線性，而不是實際不存在的所謂“系統(tǒng)阻尼”作用的結(jié)果
在結(jié)構(gòu)振動的領(lǐng)域，他的貢獻遍及抗車輛沖擊、抗爆炸、抗震和抗風(fēng)等所有方面。從基于變分原理的近似解析手段到有限元的數(shù)值解，他經(jīng)歷了計算機前和計算機后兩個不同的時代。他不僅是駕駛經(jīng)典手法的巨匠，也是運用新技術(shù)的能手。他始終站在學(xué)術(shù)界的前沿，指引著科研前進的方向。
梁橋荷載橫向分布理論及橋梁空間分析
橋梁是一個空間結(jié)構(gòu)，為了使空間分析平面化，荷載橫向分布的計算是必不可少的。世界各國的學(xué)者在處理這一問題的過程中，形成了許多派別。他們的力學(xué)模型大都是一種近似處理，也都存在著各自的缺點。70年代初，李國豪下放到鎮(zhèn)北黃河大橋勞動時，結(jié)合工程實際，分析比較已有方法的優(yōu)缺點，提出了一種原理簡單、又能概括所有其他各種計算方法的新的梁系模型。這一力學(xué)模型的特點是將橋面板沿縱向割開形成各主梁單元，同時將少數(shù)幾根橫隔梁的剛度分攤到橋面板中。在割開的板縫中忽略法向力和縱向剪力，只保留兩個對荷載分布起主要作用的豎向剪力和彎矩。最后利用計算荷載橫向分布的基本假定：即以正弦形狀荷載代替實際的列車荷載，使計算實用化。通過模型試驗，檢驗了方法的合理性和足夠的精度，并進一步編制了便于實用的圖表。新的梁系模型與實際橋梁最為接近，比梁格系模型的精度高，又克服了各向異性板模型需要來回換算的缺點，同時在計算中也反映了少數(shù)橫隔梁的重要作用。對于常用鉸接板和鉸接Ｔ梁橋，只要進一步略去板縫中的彎矩即可。因此，1977年，李國豪的《公路橋梁荷載橫向分布計算》一書的出版，就成了這一延續(xù)30年的傳統(tǒng)課題的最后總結(jié)。
1978年，李國豪還發(fā)表了“拱橋荷載橫向分布理論分析”一文，大大改進了當時在拱橋設(shè)計中普遍采用的平均分配法或剛性分配法等十分粗略的荷載橫向分布計算。拱橋作為既受軸力又受彎矩的結(jié)構(gòu)，有著不同于梁橋的荷載分布規(guī)律。在它的理論分析中必須考慮分割的相鄰拱單元之間的所有內(nèi)力。李國豪引伸對梁式橋的分析方法于拱橋，建立了這方面的理論，并以現(xiàn)場測試結(jié)果作了驗證。1989年，他又進一步推廣這種分析方法，完成了曲線橋荷載橫向分布計算的研究。
在李國豪對橋梁空間分析的貢獻中，除前面在桁梁的彎曲與扭轉(zhuǎn)理論中所說的以外，應(yīng)當特別提到他在1958年發(fā)表的“斜交各向異性板彎曲理論及其對于斜橋的應(yīng)用”一文。他針對斜橋的實際構(gòu)造，將正交各向異性板理論，通過斜交坐標延伸為斜交各向異性板的彎曲理論，使各向同性斜板理論和斜交梁格系理論成為它的兩個特例。李國豪的這一開拓性的工作很快就引起了國外力學(xué)工作者的重視，并以“李氏理論”為名被學(xué)術(shù)界所引用。
以科學(xué)態(tài)度和刻苦精神解決了結(jié)構(gòu)理論中的許多難題
在科學(xué)研究工作中，他崇尚實事求是的作風(fēng)和嚴謹科學(xué)的態(tài)度。他特別注意理論聯(lián)系實際，他的理論從不滿足于推導(dǎo)和計算，總是力求以模型試驗或現(xiàn)場測試來檢驗修改和證實理論的正確性。以刻苦堅毅的精神解決了結(jié)構(gòu)理論中的許多難題。凡是做過他助手的人都深深地為他尊重事實、一絲不茍的態(tài)度所感動。他在科研選題上一貫倡導(dǎo)“必須具有工程背景，必須解決實際問題”。他常說，我們的研究主體是工程，左右臂是數(shù)學(xué)和力學(xué)。堅持主張理論意義和實用價值相結(jié)合。
他喜歡研究老難題和別人尚未涉足過的新問題。他的思維方法富于開創(chuàng)性。他常常能從紛繁迷離、錯綜復(fù)雜的現(xiàn)象中，敏銳地看到問題的本質(zhì)，抓住重點，以獨創(chuàng)的、新穎的、簡練的手法解決問題。他的成果閃耀著智慧的光芒，因而在國際、國內(nèi)贏得了威望。
