中國(guó)水科院水工結(jié)構(gòu)研究成果豐碩國(guó)際領(lǐng)先

朱伯芳

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院成立于1958年，60年來，全院同志完成了大量科研工作，為我國(guó)水利水電建設(shè)作出了巨大貢獻(xiàn)。本文簡(jiǎn)述我院在水工結(jié)構(gòu)研究方面取得的主要研究成果。

1 建立混凝土壩溫度應(yīng)力理論體系

1.1 首創(chuàng)混凝土壩溫度應(yīng)力精細(xì)計(jì)算方法與軟件1950年代，在混凝土壩溫度控制方面只有美國(guó)墾務(wù)局的“Cooling of Concrete Dam”一本書，此書完全沒有接觸溫度應(yīng)力，只介紹了溫度場(chǎng)的一維解法，依靠這本書，當(dāng)然無法解決混凝土壩的溫度應(yīng)力問題。在混凝土壩溫度控制方面，雖然人們已采用了一些辦法，如分縫分塊、預(yù)冷骨料、水管冷卻等，但實(shí)際上卻是“無壩不裂”，其根本原因就是當(dāng)時(shí)沒有溫度應(yīng)力計(jì)算方法，在混凝土壩設(shè)計(jì)階段，不會(huì)計(jì)算溫度應(yīng)力，而實(shí)際工程中溫度應(yīng)力是很大的。筆者首次創(chuàng)建了混凝土壩溫度應(yīng)力完整計(jì)算方法，在設(shè)計(jì)階段可以算出混凝土壩從施工期到運(yùn)行期的全部溫度應(yīng)力，如發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力太大，可采取措施把拉應(yīng)力降到允許應(yīng)力以下，從而避免了裂縫。

筆者首次將有限單元法引入混凝土壩的溫度應(yīng)力，建立了基于有限元法的混凝土溫度徐變應(yīng)力精細(xì)計(jì)算方法，但當(dāng)時(shí)還沒有計(jì)算機(jī)語言，用二進(jìn)制方法編制計(jì)算程序，1+2=3都要走十幾步，編制有限元計(jì)算程序的工作量非常大。后與宋敬廷合作，編制了5個(gè)有限元程序，其中混凝土壩溫度徐變應(yīng)力計(jì)算程序可以考慮氣候條件、施工進(jìn)度、溫控方法和材料特性，計(jì)算混凝土壩從施工到運(yùn)行各個(gè)時(shí)期的應(yīng)力，如果發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力超過允許應(yīng)力，可以采取措施把過大的拉應(yīng)力降下來，從而避免了裂縫。筆者于1974年在全國(guó)水利水電計(jì)算技術(shù)交流會(huì)上發(fā)表了計(jì)算方法并無償公布了計(jì)算軟件，使我國(guó)混凝土壩溫度應(yīng)力計(jì)算水平大幅度提高，實(shí)際上達(dá)到了當(dāng)時(shí)國(guó)際領(lǐng)先水平，不但三峽、烏江渡等一系列大型混凝土壩采用該程序計(jì)算，許多中型工程也應(yīng)用該程序進(jìn)行計(jì)算。

1.2 首創(chuàng)混凝土壩溫度控制三準(zhǔn)則筆者提出的混凝土壩溫度控制三準(zhǔn)則如下。

（1）準(zhǔn)則一。全面控溫、長(zhǎng)期保溫。在混凝土壩施工過程中，往往來一次寒潮就出現(xiàn)一批裂縫，施工人員在大壩的頂面工作，當(dāng)然最容易發(fā)現(xiàn)這些裂縫，因而當(dāng)年曾流行一種看法：裂縫出現(xiàn)在齡期28 d以內(nèi)，28 d以后無需保溫。這種看法當(dāng)然是錯(cuò)誤的，實(shí)際上溫度應(yīng)力最大、最容易出現(xiàn)裂縫的時(shí)間是當(dāng)年和次年冬季遇到寒潮時(shí)，因而筆者提出“全面溫控，長(zhǎng)期保溫”的概念，提出利用泡沫塑料進(jìn)行表面保溫，施工方便，價(jià)格低廉，效果好。

（2）準(zhǔn)則二。早冷卻、小溫差、慢冷卻。過去傳統(tǒng)是在接縫灌漿之前進(jìn)行一次冷卻，把混凝土溫度從最高降低到壩體穩(wěn)定溫度，然后進(jìn)行接縫灌漿，溫差大，冷卻時(shí)間短，拉應(yīng)力大，易裂縫。筆者提出“早冷卻、小溫差、慢冷卻”的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，在澆筑新混凝土?xí)r即開始水管冷卻，水溫與下層老混凝土的溫差不超過5℃，水溫逐步降低，在接縫灌漿前使混凝土溫度降低到壩體穩(wěn)定溫度，因此，冷卻時(shí)間長(zhǎng)，降溫速度慢，混凝土徐變得以充分發(fā)展，在不影響壩體接縫灌漿時(shí)間的前提下，大幅度減小了溫度應(yīng)力。

（3）準(zhǔn)則三。適當(dāng)控制冷卻層高度。如果在接縫灌漿前混凝土溫度仍超過壩體穩(wěn)定溫度，需要進(jìn)行二次冷卻，這時(shí)需要控制冷卻層厚度，如果冷卻層太薄，因上下兩面都受約束，約束作用大，易裂縫。筆者建議冷卻層厚度ΔH不宜小于澆筑塊寬度L的0.40倍，即：

1.3 建立拱壩溫度荷載的正確計(jì)算方法1985年以前，拱壩溫度荷載采用美國(guó)墾務(wù)局經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：Tm為壩體厚度方向平均溫度變化；L為壩體厚度。

該式具有以下缺點(diǎn)：（1）沒有考慮上下游溫差；（2）沒有考慮壩址氣候條件。

筆者提出拱壩溫度荷載新的計(jì)算公式如下：

式中：Tm為平均溫度的變化；Td為上下游等效線性溫差的變化。

計(jì)算中不但考慮了壩體厚度，還考慮了上下游溫差和當(dāng)?shù)貧夂驐l件，這套計(jì)算公式已為我國(guó)拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范采用，應(yīng)用多年，效果良好。

1.4 提出各種水工結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力計(jì)算方法筆者提出了重力壩、支墩壩、船塢、水閘、隧洞、地基梁等各種水工建筑物溫度應(yīng)力計(jì)算方法，發(fā)表溫度應(yīng)力論文計(jì)61篇。

1.5 提出庫水溫度計(jì)算公式庫水溫度是混凝土壩運(yùn)行期的重要邊界條件，以前沒有計(jì)算方法，筆者提出了一個(gè)較好的計(jì)算公式：

式中：y為水深；τ為時(shí)間；Tm(y)為年平均水溫；A(y)為水溫年變幅；ε為水溫與氣溫的相應(yīng)位差；τ0為氣溫最高時(shí)間。

這個(gè)公式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料符合得比較好，因此獲廣泛應(yīng)用。

2 建立拱壩體形優(yōu)化方法

拱壩有7種類型：?jiǎn)涡膱A、多心圓、拋物線、橢圓、雙曲線、對(duì)數(shù)螺旋線和統(tǒng)一二次曲線，每一種類型的拱壩，其幾何形狀又有五十多個(gè)設(shè)計(jì)變量，拱壩的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用一種拱形，然后通過方案比較和不斷修改，找到一個(gè)符合設(shè)計(jì)條件的體形，從數(shù)學(xué)上來說，這只是一個(gè)可行方案，而不是最優(yōu)方案。

筆者與厲易生、賈金生、饒斌和楊波等合作，經(jīng)過多年努力，把數(shù)學(xué)規(guī)劃方法用于拱壩設(shè)計(jì)獲得成功，建立了拱壩體形優(yōu)化方法和軟件，3 d之內(nèi)就可以給出7種拱壩的最優(yōu)體形，從中即可選出最優(yōu)拱壩類型又可同時(shí)求出拱壩最優(yōu)的體形尺寸，一舉兩得，已應(yīng)用于小灣、錦屏和溪洛渡等世界最高的拱壩及其他一百多座拱壩，一般可節(jié)省壩體混凝土10%～30%，已節(jié)省投資20余億元。拱壩體形優(yōu)化成功，不但是我國(guó)水工結(jié)構(gòu)學(xué)的重大成就，也是世界上壩工技術(shù)上的一項(xiàng)重要成績(jī)。

國(guó)外也有人進(jìn)行拱壩優(yōu)化研究，但由于數(shù)學(xué)模型欠佳，一直未能在實(shí)際工程中應(yīng)用。筆者的拱壩優(yōu)化軟件已在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用，包括小灣、錦屏、溪洛渡和拉西瓦這些特高拱壩，并已向國(guó)外出口，取得的主要成果有以下幾點(diǎn)。

2.1 拱壩體形采用實(shí)用化表達(dá)式為了便于在實(shí)際工程中應(yīng)用，采用的拱壩體形表達(dá)式與拱壩設(shè)計(jì)中采用的表達(dá)式相近，即用一組公式來表達(dá)拱冠梁剖面形狀，再用7組公式表示7種拱壩的水平拱圈的形狀，這種表達(dá)方式容易被工程設(shè)計(jì)人員采用，但公式中的系數(shù)是通過優(yōu)化方法求出的，因而壩的體積最小。

以拋物線拱壩為例說明優(yōu)化公式。拱冠梁剖面：

水平拱的軸線用拋物線表示如下：

式中，RR、RL分別為右半拱和左半拱在x=0處的曲率半徑。

拱的厚度t隨水平坐標(biāo)x的變化規(guī)律如下：

式中：tc、tAR、tAL分別為拱冠、右拱座和左拱座的厚度；γ為指數(shù)。

十分復(fù)雜的拱壩體形用這樣一組很簡(jiǎn)潔的方程就表示出來了，式中參數(shù)B、tc、tAR、tAL、RR、RL等用鉛直坐標(biāo)z的多項(xiàng)式表示，多項(xiàng)式的系數(shù)通過優(yōu)化方法求解，使壩的體積最小，而通過約束條件的作用使壩體應(yīng)力和穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求，在研制的拱壩優(yōu)化軟件中，包含了單心圓、多心圓、拋物線、橢圓、雙曲線、對(duì)數(shù)螺旋線和統(tǒng)一二次曲線等7種拱圈。

2.2 內(nèi)力展開法在優(yōu)化過程中，要進(jìn)行上千次的壩體應(yīng)力分析，如何節(jié)省應(yīng)力分析時(shí)間成為拱壩優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵，國(guó)外采用Schmit建議的應(yīng)力展開法，即把應(yīng)力σ表示為設(shè)計(jì)變量x的泰樂級(jí)數(shù)：

由于應(yīng)力σ與設(shè)計(jì)變量x之間的關(guān)系是高度非線性的，要進(jìn)行10～20次迭代計(jì)算，才能收斂。

筆者提出的內(nèi)力開展法如下：

F（x）為內(nèi)力，內(nèi)力是與荷載平衡的，在優(yōu)化過程中，主要荷載水荷載是不變的，雖然自重等荷載有一定的變化，但總荷載的變化是較小的，因此采用內(nèi)力展開法進(jìn)行拱壩優(yōu)化，只需迭代2次即可收斂，而且第一次迭代的計(jì)算結(jié)果誤差已不到5%，計(jì)算速度大大加快。

2.3 建立多種優(yōu)化方法筆者建立了拱壩優(yōu)化的多種優(yōu)化方法，包括單目標(biāo)優(yōu)化、雙目標(biāo)優(yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化和智能優(yōu)化，可根據(jù)工程規(guī)模和具體條件選用其中一種方法，使用方便。

3 創(chuàng)立混凝土壩安全監(jiān)控新平臺(tái)

混凝土壩的安全是十分重要的，萬一潰壩，不僅是壩體工程受到損失，更重要的是潰壩洪水帶來的下游人口和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。過去混凝土壩安全監(jiān)控的手段是不完善的，手段之一是儀器監(jiān)測(cè)，但儀器監(jiān)測(cè)只能給出觀測(cè)點(diǎn)的溫度和應(yīng)力，由于測(cè)點(diǎn)太少，不可能給出全壩的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和安全系數(shù)。例如，一座混凝土壩有30個(gè)壩段，一般可能在3個(gè)壩段內(nèi)埋設(shè)儀器，90%壩段內(nèi)是沒有觀測(cè)儀器的。另外，混凝土壩是分層澆筑的，由于水泥水化熱的作用，澆筑層內(nèi)溫度和應(yīng)力的變化都很劇烈，要利用儀器觀測(cè)內(nèi)部溫度和應(yīng)力的變化，每個(gè)澆筑層至少需要3層儀器，如果一個(gè)壩段有100個(gè)澆筑層，就需要300層儀器，實(shí)際上一個(gè)觀測(cè)壩段只布置3～4層儀器，因此即使在觀測(cè)壩段，也無法給出應(yīng)力場(chǎng)的全貌，傳統(tǒng)的大壩安全評(píng)估，還是依靠計(jì)算。用材料力學(xué)方法計(jì)算重力壩應(yīng)力，用拱梁分載法計(jì)算拱壩應(yīng)力，計(jì)算中并沒有考慮混凝土壩分層施工過程中的實(shí)際因素，如氣溫、水化熱、水管冷卻和表面保溫等影響，計(jì)算結(jié)果是比較粗略的。

筆者與張國(guó)新等合作提出了混凝土壩安全監(jiān)控新方法——數(shù)值監(jiān)控，即把儀器監(jiān)測(cè)與數(shù)值計(jì)算方法結(jié)合起來，在施工初期，利用儀器觀測(cè)結(jié)果，對(duì)通過室內(nèi)試驗(yàn)求得的混凝土力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)進(jìn)行校正，使它們更符合實(shí)際情況，然后利用校正后的混凝土力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)，用有限元的方法，從基礎(chǔ)開挖開始，按照實(shí)際的氣候條件、施工進(jìn)度和溫控措施，計(jì)算大壩的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和安全系數(shù)，這樣就可以得到大壩從施工期到運(yùn)行期各個(gè)時(shí)間的安全系數(shù)，如發(fā)現(xiàn)安全系數(shù)偏低，可及時(shí)采取措施予以補(bǔ)救，大壩安全監(jiān)控水平得到大幅度提高，換句話說，大壩安全監(jiān)控由過去的定性監(jiān)控改變?yōu)楝F(xiàn)在的定量監(jiān)控。

過去缺乏考慮施工過程中各種因素影響的大壩安全系數(shù)計(jì)算方法，筆者提出了超載法和降強(qiáng)法兩種計(jì)算方法，即利用超載和降強(qiáng)，以三維有限元考慮施工過程求出壩體安全系數(shù)。

4 建立混凝土壩仿真分析方法

混凝土壩體積龐大，實(shí)際施工中采用分段分層澆筑方法，即全壩分成十到二十幾個(gè)壩段，每段寬度15～20 m，在高度方向分成50～100個(gè)澆筑層，每層厚度1.5～4.0 m，施工過程要經(jīng)歷好幾年，外界氣溫變化、內(nèi)部水泥水化熱變化、力學(xué)和熱學(xué)性能隨混凝土齡期而變化，這些變化因素都影響到混凝土壩的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算中存在一系列困難，過去實(shí)際無法計(jì)算，筆者克服了這一系列困難，建立了混凝土壩仿真分析方法，提出等效熱傳導(dǎo)方程和等效排水夾層法。

首先一個(gè)困難是計(jì)算中如何考慮水管冷卻，水管的半徑只有1.00～1.25 cm，如果在計(jì)算網(wǎng)格中直接考慮水管，管周的單元應(yīng)該是厘米級(jí)的，單元數(shù)量異常龐大，一個(gè)壩塊即有約240萬個(gè)結(jié)點(diǎn)，實(shí)際上很難計(jì)算，為克服這個(gè)困難，筆者提出等效熱傳導(dǎo)方程：

水管冷卻的影響包含在函數(shù)φ和ψ中，因此采用普通的計(jì)算網(wǎng)格就可以考慮水管的影響，無需加密網(wǎng)格，計(jì)算得到極大簡(jiǎn)化，且計(jì)算精度很好。

第二個(gè)困難是計(jì)算中如何考慮地基排水孔的降壓效果，排水孔的降壓作用非常大，但排水孔半徑只有5 cm，如果計(jì)算網(wǎng)格直接采用排水孔，單元尺寸很小，計(jì)算量巨大，實(shí)際無法計(jì)算，筆者提出等效排水夾層法，調(diào)整它的豎向滲透系數(shù)，使得它的豎向排水效果與具有排水孔的夾層相同，因而實(shí)際計(jì)算中，不必采取有排水孔的網(wǎng)格，在夾層中采用等效滲透系數(shù)就可以考慮排水孔影響，計(jì)算大大簡(jiǎn)化，且計(jì)算精度很好。

5 發(fā)展混凝土徐變理論

在混凝土徐變理論方面我們做了下述工作。

（1）非均質(zhì)彈性徐變體的兩個(gè)基本定理。徐變對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變位的影響是人們關(guān)心的一個(gè)重要問題，前人只研究過均質(zhì)結(jié)構(gòu)在簡(jiǎn)單邊界條件下的徐變問題，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)大多數(shù)是非均質(zhì)結(jié)構(gòu)和混合邊界條件。筆者定義混凝土徐變度與彈性變形（彈性模量的倒數(shù)）成正比的結(jié)構(gòu)為比例變形結(jié)構(gòu)，提出并證明了兩個(gè)定理：①定理一。如物體符合比例變形條件，即徐變與彈性變形成比例，則在外力作用下，徐變不影響物體的應(yīng)力，只影響其變形。②定理二。如物體符合比例變形條件，在已知邊界位移和溫度變化作用下，徐變不影響物體變位，只影響物體的應(yīng)力，并可按松弛系數(shù)法計(jì)算。

換言之，如不符合比例變形條件，則在外力作用下，徐變將影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，在溫度和強(qiáng)迫變形作用下，嚴(yán)格來說，應(yīng)力不能用松弛系數(shù)法計(jì)算。

（2）混凝土結(jié)構(gòu)徐變應(yīng)力分析的隱式解法。以前混凝土結(jié)構(gòu)徐變應(yīng)力分析采用等時(shí)段初應(yīng)變法，計(jì)算精度差，計(jì)算效率低，筆者提出了變時(shí)段隱式解法，既提高了計(jì)算精度又提高了計(jì)算效率，混凝土徐變應(yīng)變?cè)隽坑眠f推公式計(jì)算：

（3）混凝土彈性模量、徐變度和松弛度表達(dá)式?；炷翉椥阅Ａ窟^去采用的公式與試驗(yàn)資料吻合很差；不符合初始條件。故筆者提出以下公式：

式中：E0為混凝土最終彈性模量；a、b、n為系數(shù)。

以上兩式，結(jié)構(gòu)緊湊，且與實(shí)驗(yàn)資料吻合得較好。

筆者給出的混凝土徐變公式如下：

混凝土松弛系數(shù)以前只有一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，沒有通用的表達(dá)式，筆者首次提出了兩個(gè)松弛系數(shù)表達(dá)式：

這些表達(dá)式目前已獲廣泛應(yīng)用。

6 將有限元方法引入水工結(jié)構(gòu)計(jì)算

1960年左右，筆者從國(guó)外文獻(xiàn)中看到新出現(xiàn)的有限元單元法，當(dāng)時(shí)即覺得這是一個(gè)很有用的方法。1964年正式開始進(jìn)行有限元方法和程序的研究，可惜1965年初奉命全組“下樓出院”到劉家峽水電站工地搞“設(shè)計(jì)革命”，有限元研究計(jì)劃停止。1969年水科院被撤銷，筆者下放三門峽工程局，先勞動(dòng)鍛煉一年，接著搞了兩年三門峽改建工程。1972年后無事可干，筆者就聯(lián)合宋敬廷搞有限元研究，當(dāng)時(shí)還沒有計(jì)算機(jī)語言，用二進(jìn)制手編程序，先后編制了5個(gè)有限元程序，應(yīng)用效果相當(dāng)好。利用這5個(gè)程序，可以計(jì)算大壩滲流場(chǎng)、穩(wěn)定溫度場(chǎng)、不穩(wěn)定溫度場(chǎng)和溫度徐變應(yīng)力場(chǎng)，利用彈性厚殼理論計(jì)算拱壩應(yīng)力以大量減少計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存量，在當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)硬件水平很低的條件下，可以用有限元計(jì)算拱壩應(yīng)力。1974年我們向全國(guó)各水電單位無償提供了我們的計(jì)算程序，使我國(guó)混凝土壩計(jì)算水平大幅度提高，不但三峽、烏江渡等一系列大型工程應(yīng)用我們的程序計(jì)算，許多中型工程也用我們的程序進(jìn)行計(jì)算，使我國(guó)水工結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)入有限元時(shí)代，計(jì)算水平大幅度提高，實(shí)際達(dá)到了當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平。

用拱冠梁分載法分析拱壩應(yīng)力時(shí)，用伏格特系數(shù)計(jì)算地基變形，做了兩個(gè)假定：（1）把高低起伏的地基表面攤成平面；（2）把復(fù)雜的壩與地基接觸面用矩形代替，從而引進(jìn)了較大誤差。用有限元分析拱壩應(yīng)力時(shí)，完全按實(shí)際情況計(jì)算，無需上述假定，因而計(jì)算精度較高，但由于應(yīng)力集中，在壩踵往往出現(xiàn)很大的拉應(yīng)力，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，為有限元在壩工技術(shù)中的應(yīng)用構(gòu)成了障礙，為了解決這個(gè)問題，我們提出有限元等效應(yīng)力的算法，即按實(shí)際情況用有限元算出壩體應(yīng)力后，在半徑方向沿?cái)嗝娣e分，求出彎矩、剪力、推力等內(nèi)力，再用材料力學(xué)方法計(jì)算應(yīng)力，即消除了應(yīng)力集中影響，我們計(jì)算了20多個(gè)拱壩，計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)力處于可控范圍內(nèi)，但拉應(yīng)力比拱梁分載法略大一些，經(jīng)過分析，把允許拉應(yīng)力從傳統(tǒng)拱梁分載法的1.20 MPa改為1.50 MPa，允許壓應(yīng)力不變，這一建議為我國(guó)拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范采納，從而為有限元方法應(yīng)用于壩工設(shè)計(jì)開辟了道路。

在三門峽工地，我還寫了《有限單元法原理與應(yīng)用》一書，原來目的是為土木水利專業(yè)的工程師提供一本自學(xué)有限單元法的參考書，不料出版后廣受歡迎，不但受到工程師的歡迎，還受到大學(xué)教授和學(xué)生的歡迎，被用作大學(xué)力學(xué)專業(yè)本科和工程專業(yè)研究生的教科書，一再重版。據(jù)中國(guó)科學(xué)院信息中心統(tǒng)計(jì)，此書為我國(guó)水利水電專業(yè)最受歡迎的10本書之一，此書的英文版也已由Wiley出版公司在國(guó)外出版。

在三門峽工地，我們住的是過去建設(shè)三門峽工程時(shí)用土坯砌筑的臨時(shí)工棚，上面沒有天花板，下面沒有地板，遍地老鼠洞，有時(shí)從房頂還會(huì)掉下來蝎子，就是這樣低劣的生活條件下，我們并未灰心，而是克服困難，研究世界上最先進(jìn)的計(jì)算方法，編寫了5個(gè)有限元程序，并撰寫了《有限單元法原理與應(yīng)用》一書，可謂“身居陋室，寫成名著”。

7 科學(xué)研究的思路

如何搞好科研說到底是兩個(gè)問題，即如何選題和如何解題。如何選題呢，一種做法是查閱文獻(xiàn)，找一個(gè)別人沒有做過而自己可以做的題目，這是可以出成果的，但它不一定在生產(chǎn)中能發(fā)揮作用。我們的做法是深入生產(chǎn)實(shí)際，找一個(gè)生產(chǎn)中存在而沒有解決的問題，如大壩裂縫問題來進(jìn)行研究；如何解題呢，就是找一個(gè)生產(chǎn)上能實(shí)際采用而且效果比國(guó)內(nèi)外更好的方法，如拱壩優(yōu)化方法。我們的科研路線可歸納為“來自生產(chǎn)、用于生產(chǎn)、高于生產(chǎn)”。

文獻(xiàn)是需要閱讀的，但重要的是深入生產(chǎn)實(shí)踐，從生產(chǎn)實(shí)踐中找一個(gè)重要的沒有解決的問題來進(jìn)行研究。科研成果不滿足于發(fā)表論文，而務(wù)必在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。科研成果不滿足于當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平，務(wù)求高于當(dāng)時(shí)的國(guó)際水平，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和超前。因此，幾十年來，水科院結(jié)構(gòu)所科研成果始終處于國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平。

附錄

1 著作

［1］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.1版.北京：中國(guó)電力出版社，1999；2版.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［2］ 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］.1版.北京：中國(guó)水利水電出版社，1979；2版，北京：中國(guó)水利水電出版社，1998；3版，北京：中國(guó)水利水電出版社，2009；4版，北京：中國(guó)水利水電出版社，2018.

［ 3 ］ ZHU Bofang.Thermal Stresses and Temperature Control of Mass Concrete［M］.Elsevier，New York，2014.

［4］ 朱伯芳，高季章，陳祖煜，等.拱壩設(shè)計(jì)與研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

［5］ 朱伯芳，黎展眉，張璧城.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用［M］.北京：水利電力出版社，1984.

［6］ 朱伯芳，王同生，丁寶瑛，等.水工混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：水利電力出版社，1976.

［7］ 朱伯芳.混凝土壩理論與技術(shù)新進(jìn)展［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

［8］ 朱伯芳.水工結(jié)構(gòu)與固體力學(xué)論文集：朱伯芳論文選集［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［9］ 朱伯芳.朱伯芳院士文選［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1997.

［10］ 朱伯芳.朱伯芳院士文集（上、下冊(cè)）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2016.

［11］ ZHU Bofang.The Finite Element Method，F(xiàn)undamentals and Applications in Civil、Hydranlic、Mechanical and Aeronautical Engineering［M］.Wiley，New York，2018.

2 論文

［ 1］ 朱伯芳.我國(guó)混凝土壩壩型的回顧與展望［J］.水利水電技術(shù)，2008，39（9）：26-30.

［ 2］ 朱伯芳.對(duì)寬縫重力壩的重新評(píng)價(jià)［J］.水利水電技術(shù)，1963（10）：35-39.

［ 3］ 朱伯芳.當(dāng)前混凝土壩建設(shè)中的幾個(gè)問題［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，40（1）：1-9.

［ 4］ 朱伯芳.混凝土壩安全評(píng)估的有限元全程仿真與強(qiáng)度遞減法［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（1）：1-6.

［ 5］ 朱伯芳.混凝土壩計(jì)算技術(shù)與安全評(píng)估展望［J］.水利水電技術(shù)，2006，37（10）：24-28.

［ 6］ 朱伯芳.論混凝土壩安全系數(shù)的設(shè)置［J］.水利水電技術(shù)，2007，38（6）：35-40.

［ 7］ 朱伯芳.關(guān)于可靠度理論應(yīng)用于混凝土壩設(shè)計(jì)的問題［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1999，32（4）：10-15.

［ 8］ 朱伯芳.論混凝土壩抗裂安全系數(shù)［J］.水利水電技術(shù)，2005，36（7）：33-37.

［ 9］ 朱伯芳.《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》DL5108-1999中幾個(gè)問題的商榷［J］.水利水電技術(shù)，2005，36（3）：23-27.

［10］ 朱伯芳.論混凝土壩的幾個(gè)重要問題［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2006，8（7）：21-29.

［11］ 朱伯芳.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的幾個(gè)方法［J］.工程力學(xué)，1985，2（2）：43-51.

［12］ 朱伯芳.略論各種混凝土埧的經(jīng)濟(jì)性與安全性［J］.水力發(fā)電，1957（2）：5-9，27.

［13］ 朱伯芳.論壩工混凝土標(biāo)號(hào)與強(qiáng)度等級(jí)［J］.水利水電技術(shù)，2004，35（8）：32-36.

［14］ 朱伯芳.智能優(yōu)化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)簡(jiǎn)介［J］.水利水電技術(shù)，1993（2）：10-11.

［15］ 朱伯芳.論混凝土壩的使用壽命及實(shí)現(xiàn)混凝土壩超長(zhǎng)期服役的可能性［J］.水利學(xué)報(bào)，2012，39（1）：1-9.

［16］ 朱伯芳.關(guān)于混凝土壩基礎(chǔ)斷層破碎帶的處理及施工應(yīng)力問題的商榷［J］.水利水電技術(shù)，1964（10）：41-43.

［17］ 朱伯芳，厲易生，許平.某拱壩因壩內(nèi)高壓孔洞缺乏防滲鋼板引起大裂縫的教訓(xùn)［J］.混凝土壩技術(shù)，1964（10）.

［18］ 朱伯芳.三峽工程的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益是我國(guó)最好的［J］.中國(guó)水利，2011（12）：10-11.

［19］ 朱伯芳.中國(guó)拱壩建設(shè)的成就［J］.水力發(fā)電，1999（10）：38-41.

［20］ 朱伯芳 .混凝土壩的溫度計(jì)算［J］.中國(guó)水利，1956（11）：8-22；1956（12）：48-60.

［21］ 朱伯芳.有內(nèi)部熱源的大塊混凝土用埋設(shè)水管冷卻的降溫計(jì)算［J］.水利學(xué)報(bào)，1957（4）：87-106.

［22］ 朱伯芳.建筑物溫度應(yīng)力試驗(yàn)的相似律［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1958（4）：35-41.

［23］ ZHU Bofang.The effect of pipe cooling in mass concrete with internal source of heat［J］.Scientia Sinica，1961，10（4）：483-489.

［24］ 朱伯芳，王同生.混凝土壩施工中相鄰壩塊高差的合理控制［J］.水利學(xué)報(bào)，1962（5）：53-57.

［25］ 朱伯芳.國(guó)外混凝土壩分縫分塊及溫度控制的情況與趨勢(shì)［J］.水利水電技術(shù)，1962（3）：35-47.

［26］ 朱伯芳.數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論在混凝土壩溫差研究中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，1963（1）：30-34.

［27］ 朱伯芳，王同生，丁寶瑛.重力壩和混凝土澆筑塊的溫度應(yīng)力［J］.水利學(xué)報(bào)，1964（1）：27-38.

［28］ 朱伯芳，宋敬廷.混凝土溫度場(chǎng)及溫度徐變應(yīng)力的有限元分析［C］//水利水電工程應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)資料選編.北京：水利水電出版社，1977.

［29］ 朱伯芳.基礎(chǔ)梁的溫度應(yīng)力［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，1977，13（3）：42-47.

［30］ 朱伯芳.軟基上船塢與水閘的溫度應(yīng)力［J］.水利學(xué)報(bào)，1980（6）：23-33.

［31］ 朱伯芳.論拱壩的溫度荷載［J］.水力發(fā)電，1984（2）：25-31.

［32］ 朱伯芳.庫水溫度估算［J］.水利學(xué)報(bào)，1985（2）：14-23.

［33］ 朱伯芳.寒潮引起的混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算［J］.水力發(fā)電，1985（3）：15-20.

［34］ 朱伯芳，蔡建波.混凝土壩水管冷卻效果的有限元分析［J］.水利學(xué)報(bào)，1985（4）：29-38.

［35］ ZHU Bofang，Computation of thermal stresses in mass concrete with consideration of creep［C］//Proc.15th Inter?national Congress on Large Dams.Lausanne，1985.

［36］ 朱伯芳.大體積混凝土表面保溫能力計(jì)算［J］.水利學(xué)報(bào)，1987（2）：20-28.

［37］ 朱伯芳.再談寒潮引起的混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算——答梁潤(rùn)同志［J］.水力發(fā)電，1987（12）：33-36.

［38］ 朱伯芳.考慮水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導(dǎo)方程［J］.水利學(xué)報(bào)，1991（3）：28-34.

［39］ ZHU Bofang Temperature Loads on Arch Dams［C］//Proc.International Workshop on Arch Dams.Coimbre，1987.

［40］ ZHU Bofang，CAI Jiangbo.Finite element analysis of pipe cooling in mass concrete，a three dimensional problem［J］.Journal of Construction Engineering ASCE，1989，115（4）：487-498.

［41］ 朱伯芳.混凝土澆筑塊的臨界表面放熱系數(shù)［J］.水利水電技術(shù)，1990（4）：14-16.

［42］ ZHU Bofang.Thermal stresses in beams on elastic foundationa［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1992（1）.

［43］ 朱伯芳.碾壓混凝土拱壩的溫度控制與接縫設(shè)計(jì)［J］.水力發(fā)電，1992（9）：11-17.

［44］ 朱伯芳 .不穩(wěn)定溫度場(chǎng)有限元分區(qū)異步長(zhǎng)解法［J］.水力發(fā)電，1985（8）：46-52

［45］ 朱伯芳，許平.碾壓混凝土重力壩的溫度應(yīng)力與溫度控制［J］.水利水電技術(shù)，1996（4）：18-25.

［46］ ZHU Bofang.Compound layer method for stress analysis simulating construction process［J］.Dam Engineering，1995，6（2）：157-178.

［47］ ZHU Bofang，XU Ping.Thermal stresses in roller compacted concrete gravity dams［J］.Dam Engineering，1995，6（3）：199-220.

［48］ ZHU Bofang，XU Ping，WANG Shuhe.Thermal Stresses and Temperature Control of RCC Gravity Dams［C］//Pro?ceeding International Symposium on Roller Compacted Concrete Dam.Chengdu，China，1999.

［49］ 朱伯芳.大體積混凝土施工過程中受到的日照影響［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1999（3）：35-41.

［50］ 朱伯芳，許平.通倉澆筑常態(tài)混凝土和碾壓混凝土重力壩的劈頭裂縫和底孔超冷問題［J］.水利水電技術(shù)，1998（10）：14-18.

［51］ 朱伯芳，董福品.拆除模板引起的混凝土溫度應(yīng)力［J］.水利水電技術(shù)，1998（10）：60-62.

［52］ 朱伯芳.高溫季節(jié)進(jìn)行壩體二期水管冷卻時(shí)的表面保溫［J］.水利水電技術(shù)，1997（4）：10-13.

［53］ 朱伯芳.大體積混凝土非金屬水管冷卻的降溫計(jì)算［J］.水力發(fā)電，1996（12）：26-29.

［54］ ZHU Bofang.Effect of cooling by water flowing in nonmetal pipes embedded in mass concrete［J］.Journal of Con?struction Engineering ASCE，1999，125（1）：61-68.

［55］ ZHU Bofang，XU Ping.New Methods for Thermal Stress Analysis Simulating Construction Process of Concrete Dam［C］//Proceedings Tenth International Conference for Numerical Methods in Thermal Problems.Swansea，UK，1997.

［56］ ZHUBofang，XU Ping.Thermal Stress and Temperature Control of Gravity Dams Without Longitudinal Joint In?cluding RCC Gravity Dams［C］//Proceeding of International Conference on Creating in Concrete.Dundee，UK，1999.

［57］ 朱伯芳.RCC壩仿真計(jì)算非均勻單元的初始條件［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2000（1）：81-85.

［58］ ZHU Bofang.Prediction of water temperature in deep reservoir［J］.Dam Engineering，1997，8（1）：13-26.

［59］ 朱伯芳.蠕變引起的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布［J］.建筑學(xué)報(bào)，1961（1）：16-20.

［60］ 朱伯芳.蠕變引起的拱壩應(yīng)力重新分布［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，1962，5（1）：19-27.

［61］ 朱伯芳.在混合邊界條件下非均質(zhì)粘彈性體的應(yīng)力與位移［J］.力學(xué)學(xué)報(bào)，1964，7（2）：74-79.

［62］ 朱伯芳.關(guān)于混凝土徐變理論的幾個(gè)問題［J］.水利學(xué)報(bào)，1982（3）：37-42.

［63］ 朱伯芳.混凝土結(jié)構(gòu)徐變應(yīng)力分析的隱式解法［J］.水利學(xué)報(bào)，1983（5）：42-48.

［64］ 朱伯芳.混凝土的彈性模量、徐變度與應(yīng)力松弛系數(shù)［J］.水利學(xué)報(bào)，1985（9）：56-63.

［65］ 朱伯芳.分析晚齡期混凝土結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)諧溫度徐變應(yīng)力的等效模量法和等效溫度法［J］.水利學(xué)報(bào)，1986（8）：63-69.

［66］ 朱伯芳.混凝土徐變方程參數(shù)擬合的約束極值法［J］.水利學(xué)報(bào)，1992（7）：75-76.

［67］ 朱伯芳.彈性徐變體有限元分區(qū)異步長(zhǎng)算法［J］.水利學(xué)報(bào)，1995（7）：23-27.

［68］ 朱伯芳.再論混凝土彈性模量的表達(dá)式［J］.水利學(xué)報(bào)，1996（3）：89-91.

［69］ 朱伯芳.混凝土徐變?nèi)崃康膬绾瘮?shù)—對(duì)數(shù)函數(shù)表達(dá)式［J］.計(jì)算技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1996（1）：1-4.

［70］ 朱伯芳.混凝土極限拉伸變形與齡期及抗拉，抗壓強(qiáng)度的關(guān)系［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1996（5）：72-76.

［71］ 朱伯芳.混凝土松弛系數(shù)與徐變系數(shù)的關(guān)系式［J］.計(jì)算技術(shù)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1996（2）.

［72］ 朱伯芳.多層混凝土結(jié)構(gòu)仿真應(yīng)力分析的并層算法［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1994（3）：153-155.

［73］ 朱伯芳.混凝土高壩仿真計(jì)算的并層壩塊接縫單元［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1995（3）：14-21.

［74］ 朱伯芳.論微膨脹混凝土筑壩技術(shù)［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2000（3）：1-13.

［75］ ZHU Bofang.Joint element with key and the influence of joint on the stresses in concrete dams［J］.Dam Engineer?ing，2001，12（2）：59-82.

［76］ 朱伯芳.利用預(yù)冷集料和水管冷卻加快高碾壓混凝土重力壩的施工速度［J］.水利水電技術(shù)，2001，32（3）：11-14.

［77］ 朱伯芳，許平.混凝土壩仿真應(yīng)力分析方法［J］.中國(guó)水利，2000（9）：75-77.

［78］ 朱伯芳.聚乙烯冷卻水管的等效間距［J］.水力發(fā)電，2002（1）：20-22.

［79］ ZHU Bofang.Methods for stress analysis simulating the construction process of high concrete dams［J］.Dam Engi?neering，2001，11（4）.

［80］ 朱伯芳，許平.混凝土高壩全過程仿真分析［J］.水利水電技術(shù)，2002，33（12）：11-14.

［81］ 朱伯芳.微膨脹混凝土自生體積變形的計(jì)算模型和試驗(yàn)方法［J］.水利學(xué)報(bào)，2002（12）：18-21.

［82］ 朱伯芳.考慮溫度影響的混凝土絕熱溫升表達(dá)式［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2003（2）：69-73.

［83］ 朱伯芳.微膨脹混凝土自生體積變形的增量型計(jì)算模型［J］.水力發(fā)電，2003，29（2）：22-23.

［84］ 朱伯芳.關(guān)于拱壩接縫灌漿時(shí)間的探討［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2003（3）：18-24.

［85］ 朱伯芳.兼顧當(dāng)前溫度與歷史溫度效應(yīng)的氧化鎂混凝土雙溫計(jì)算模型［J］.水利水電技術(shù)，2003，34（4）：16-17.

［86］ 朱伯芳.混凝土絕熱溫升的新計(jì)算模型與反分析［J］.水力發(fā)電，2003，29（4）：29-32.

［87］ 朱伯芳，張國(guó)新，徐麟祥，等.解決重力壩加高時(shí)溫度應(yīng)力的新思路和技術(shù)［J］.水力發(fā)電，2003，29（11）：26-30.

［88］ 朱伯芳.寒冷地區(qū)有保溫層拱壩的溫度荷載［J］.水利水電技術(shù)，2003，34（11）：43-46.

［89］ 朱伯芳.混凝土壩水管冷卻仿真計(jì)算的復(fù)合算法［J］.水利水電技術(shù)，2003，34（11）：47-50.

［90］ ZHU Bofang.Temperature control and design of joints for RCC arch dams［J］.Dam Engineering，2003，14（11）：205-226.

［91］ 厲易生，朱伯芳.寒冷地區(qū)拱壩苯板保溫層的效果及計(jì)算方法［J］.水利學(xué)報(bào)，1995（7）：54-58.

［92］ 朱伯芳.考慮外界溫度影響的水管冷卻等效熱傳導(dǎo)方程［J］.水利學(xué)報(bào)，2003（3）：49-54.

［93］ 朱伯芳.建設(shè)高質(zhì)量永不裂縫拱壩的可行性及實(shí)現(xiàn)策略［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37（10）：1155-1162.

［94］ 朱伯芳.混凝土壩溫度控制與防止裂縫的現(xiàn)狀與展望［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37（12）：1424-1432.

［95］ 朱伯芳.重力壩的劈頭裂縫［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1997（4）：85-93.

［96］ 朱伯芳.地基上混凝土梁的溫度應(yīng)力［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2006，39（8）：96-101.

［97］ 趙佩鈺，呂宏基，朱伯芳.關(guān)于防止混凝土壩裂縫措施的探討［J］.水利水電技術(shù)，1962（3）：8-16.

［98］ 朱伯芳.關(guān)于混凝土壩裂縫問題的商榷［J］.水利水電技術(shù)，1963（8）：40-47.

［99］ 董福品，朱伯芳.碾壓混凝土壩溫度徐變應(yīng)力的研究［J］.水利水電技術(shù)，1987（10）：24-32.

［100］ 厲易生，朱伯芳.響水拱壩裂縫成因及其處理［J］.水利水電技術(shù)，1997（5）：15-17.

［101］ 張國(guó)新，許平，楊波，等.整體拱壩的仿真與可行溫控措施［J］.水利水電技術(shù)，2002，33（12）：19-22.

［102］ 楊波，朱伯芳.拱壩運(yùn)行期非線性溫差應(yīng)力分析［J］.水利水電技術(shù)，2003，34（6）：24-26.

［103］ 申獻(xiàn)平，楊波，張國(guó)新，等.沙老河拱壩整體應(yīng)力仿真與摻MgO效果分析［J］.水利水電技術(shù)，2004，35（2）：38-40.

［104］ 許平，朱伯芳，張國(guó)新，等.某重力壩溫控仿真計(jì)算及上游面裂縫成因分析［J］.水利水電技術(shù)，2004，35（11）：77-80.

［105］ 朱伯芳，張國(guó)新，楊衛(wèi)中，等.應(yīng)用氧化鎂混凝土筑壩的兩種指導(dǎo)思想和兩種實(shí)踐結(jié)果［J］.水利水電技術(shù)，2005，36（6）：39-42.

［106］ 朱伯芳.溫度場(chǎng)有限元分析的接縫單元［J］.水利水電技術(shù)，2005，36（11）：45-47.

［107］ 朱伯芳，買淑芳.混凝土壩的復(fù)合式永久保溫防滲板［J］.水利水電技術(shù)，2006，37（4）：13-18.

［108］ 朱伯芳，張國(guó)新，吳龍珅，等.重力壩加高工程全年施工可行性研究［J］.水利水電技術(shù)，2006，37（10）：29-32.

［109］ 朱伯芳.拱壩溫度荷載計(jì)算方法的改進(jìn)［J］.水利水電技術(shù)，2006，37（12）：19-22.

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