曾慶元：敢叫天塹變坦途

伍礪矛 周智輝 文穎

曾慶元，1925年10月出生，江西泰和人，橋梁工程動力學(xué)專家。現(xiàn)任中南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。1999年當(dāng)選為中國工程院院士。長期從事橋梁振動與穩(wěn)定的教學(xué)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(xué)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(zhǔn)則”等理論，對經(jīng)典動力學(xué)理論作出了重要的補充和發(fā)展，使我國在這一領(lǐng)域的研究處于國際領(lǐng)先地位。

一

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(nóng)村，這里西鄰井岡山區(qū)，是一片地薄物貧的丘陵地帶。當(dāng)?shù)厝耸来鸀樯娑鴴暝瑤缀鯖]有真正意義上的讀書人。曾慶元家也是世代務(wù)農(nóng)，家境貧寒。父母送他上私塾原本也只想讓他認(rèn)幾個字，能寫自己的名字。但他表現(xiàn)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(dāng)他發(fā)現(xiàn)侄兒很有天分，就經(jīng)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(jìn)了縣立初級中學(xué)。

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(xué)，他知道自己讀書的機會來之不易，因此非常刻苦。他的成績總是名列前茅，尤以數(shù)學(xué)突出，當(dāng)時他就自學(xué)了范氏大代數(shù)。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(xué)（即現(xiàn)在的南昌大學(xué)）土木系。1950年畢業(yè)后留校任教。

1953年院系調(diào)整，曾慶元來到長沙中南土建學(xué)院（現(xiàn)湖南大學(xué)）橋隧系。同年底，他被選派到哈爾濱工業(yè)大學(xué)當(dāng)研究生，學(xué)土木結(jié)構(gòu)。由于后來蘇聯(lián)專家沒來，他學(xué)了半年俄語后又被轉(zhuǎn)派到清華大學(xué)土木系當(dāng)研究生，學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)。1956年畢業(yè)后回到長沙。由于學(xué)習(xí)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(xué)、彈性穩(wěn)定理論、空間結(jié)構(gòu)分析理論、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等課程。并且出色地完成了《跨度100m飛機庫圓柱網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)》的畢業(yè)設(shè)計。這為他后來的發(fā)展奠定了堅實而廣闊的基礎(chǔ)。

二

“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(xué)院剛建院，曾慶元就來到該院橋隧系。鐵道學(xué)院初建伊始，百業(yè)待興。這年秋季開學(xué)時，教學(xué)樓尚只建到三樓，還沒有窗戶，只好邊建邊用。于是出現(xiàn)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(xué)場地、科教設(shè)備都很簡陋。加上當(dāng)時曾慶元患坐骨神經(jīng)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(xué)上，因為國家需要更多的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)疲勞。1963年，他在這一領(lǐng)域的第一項成果誕生——寫出了《構(gòu)件應(yīng)力集中截面疲勞強度的計算》，導(dǎo)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(guān)專家審定認(rèn)為論文的基本觀點有根據(jù)、結(jié)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(zhuǎn)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(dāng)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(jìn)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。”所以至今他都認(rèn)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(nèi)力分布。他有幸與著名橋梁工程專家李國豪教授一道應(yīng)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(nèi)力及自由振動計算方法》和《504橋模型偏載變位、內(nèi)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(yīng)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(fù)研究生招生制度，這年他晉升為副教授，并指導(dǎo)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(lián)專家開始，一直沒有大的突破和進(jìn)展。當(dāng)曾慶元步入這一領(lǐng)域時，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)新大陸，這大概就是他所言的“機遇”吧。

今天，曾慶元在這一領(lǐng)域已實現(xiàn)許多重大突破——他基于達(dá)朗貝爾原理和虛功原理，提出了“彈性系統(tǒng)動力學(xué)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(zhǔn)則”。這些原理和法則不僅有應(yīng)用價值，而且對經(jīng)典動力學(xué)理論作出了重要的補充和發(fā)展。

三

“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?fù)砩蠘蛎?。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(xiàn)象直到人群散去為止。這就是橋梁橫向振動現(xiàn)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(dǎo)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(jīng)濟？關(guān)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(yīng)用的最簡計算方程。

橋梁振動的隨機性非常大，國內(nèi)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(xiàn)：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(zhuǎn)換定律來解釋這一現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)外按經(jīng)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(xué)術(shù)界所關(guān)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(shè)計提供了理論依據(jù)。但意想不到的是，它竟引來一場不小的麻煩。1990年初，正當(dāng)大橋火熱施工時，一位高工致信國務(wù)院說該橋鋼梁橫向剛度計算有誤，如不重新計算，改變設(shè)計，建成后將導(dǎo)致橋毀人亡！國務(wù)院立即責(zé)成國際工程咨詢公司進(jìn)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(gòu)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(shè)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(jù)曾慶元1989年的計算，結(jié)合國際通用的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)反復(fù)論證后作出結(jié)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(shè)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(jié)論。一場麻煩才由此平息。1995年，進(jìn)行該橋車振試驗，結(jié)果與曾慶元的理論計算吻合。實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，大橋通車至今，列車通過時安全平穩(wěn)。

上世紀(jì)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(guān)鍵性“瓶頸”之一。如何經(jīng)濟地進(jìn)行橋梁加固便成了要解決的首要問題之一。1997年8月，某設(shè)計院邀請曾慶元幫助進(jìn)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(jīng)費。但他欣然接受。沒有任何資料，唯一知道的是當(dāng)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(gòu)架蛇形波時，也是當(dāng)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(jìn)行分析計算。很快，結(jié)果出來。當(dāng)設(shè)計院看到這一結(jié)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(shè)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(jìn)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(jù)。1998年3月底，鐵道部工務(wù)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(jìn)行實測。有一天，工務(wù)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?nèi)ツ暧嬎愕氖嵌嗌?？他?dāng)即查閱后回答說：“我們沒算75km/h，只算了80km/h和70km/h，結(jié)果分別是0.29g和0.23g?！边@個精度讓工務(wù)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。

四

堅持“己見”不放棄

曾慶元的事業(yè)是從教學(xué)開始，而后才從事研究。他的執(zhí)教生涯已半個世紀(jì)有余，可以說桃李滿天下。在教學(xué)和治學(xué)中，其嚴(yán)格和嚴(yán)謹(jǐn)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(chǔ)理論水平。對勤奮誠實的學(xué)生他格外喜歡，對有創(chuàng)新意識的學(xué)生更是偏愛。他說學(xué)橋梁的，不僅要具備專業(yè)知識，還必須有好的力學(xué)、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，才會有高的起點。至今，他已指導(dǎo)了16位碩士生和23位博士生（其中17位已獲學(xué)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(lán)而勝于藍(lán)，這樣社會才能發(fā)展。”

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(fù)強調(diào)：“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(nèi)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(jìn)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(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)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(jìn)步獎，還是沒有他的名字……然而，他無怨無悔，樂此不疲。他認(rèn)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(xué)領(lǐng)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(jīng)濟效益。

五

追光溯源的回望

曾慶元對“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”“創(chuàng)新是科技的靈魂”“科教興國”等思想極為贊賞。他認(rèn)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(dāng)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(xué)習(xí)，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(dān)憂：極少數(shù)年輕人學(xué)習(xí)不扎實，缺乏無私奉獻(xiàn)和艱苦奮斗的精神，表現(xiàn)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(rèn)為是“陽春白雪”，結(jié)果搞了3年才爭取到立項?？萍几瘮〕霈F(xiàn)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(guān)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(xiàn)在，她都始終如一地默默操持著家務(wù)。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(xué)習(xí)需要，也是興趣使然。但他不“呆”，而且還很關(guān)心時事。當(dāng)我們談到美國的霸權(quán)主義行徑時，曾慶元就談了很多，很憤慨。

當(dāng)選院士后，曾慶元并未就此退出科研一線，他時刻關(guān)注國家鐵路運輸安全問題，仍帶領(lǐng)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(shù)，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(jìn)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(zhǔn)則；將上述力素準(zhǔn)則轉(zhuǎn)化為能量準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)我國高速鐵路安全性與經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)發(fā)展還任重道遠(yuǎn)。我只想為早日實現(xiàn)這一目標(biāo)貢獻(xiàn)自己的的綿薄之力?！?/p>

《中國科學(xué)報》 （2014-08-01 第10版 印刻）