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著名桥梁工程与力学专家、教育家李国豪逝世

企鹅圆滚滚 2016-01-12
 李国豪
 
李国豪
  2005年02月23日,著名桥梁工程与力学专家、教育家李国豪逝世,享年92岁。
  人物简介
  李国豪出生于广东梅州一户农民家庭,从小学习刻苦。1929年,16岁的李国豪以优异成绩考上同济大学,1936年毕业,并获德国洪堡基金会奖学金。他于1938年留德深造,1940年即获双博士学位,并以博士生论文《悬索桥按二阶理论实用计算方法》获得了享誉世界的美名“悬索桥李”。1946年6月回国,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……处处都留下了他的足迹。1981年,李国豪因在建桥界功勋显著,被当选为十大著名结构工程专家之一,跻身世界大师行列。
  李国豪先生毕生致力于教学和科学研究工作,培育了几代科学技术人才,他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震动中的许多难题,对桥梁理论的发展做出了创造性的贡献。李国豪是中国为数不多的双院士之一,曾获德国“歌德奖章”和“联邦大十字勋章”,国际桥梁与结构协会“结构工程功绩奖”,“何梁何利科技进步奖”。
  主要经历
  1913年4月13日,李国豪出生于广东省梅州市梅县区莲塘村一个贫苦农家。父亲早年参加辛亥革命,后去印度尼西亚经营杂货小生意,母亲是位农家妇女。李国豪5岁便在村里上小学,课余帮助母亲做些家务和农活。13岁时,李国豪插班进入梅州市市立中学二年级,在校3年,李国豪成绩突出,获全校演讲比赛奖。
  李国豪16岁时,眼光投向了外面的世界。在读高一的时候走出梅州,一人去上海,顺利考入国立同济大学。
  在为期两年的德语预科班学习,到预科毕业时,学会英语、德语,为以后的学习、进修和国际学术交流打下了基础。李国豪升读同济本科时,选择工科,到三年级分系时,又从原来感兴趣的机械转向土木工程。李国豪1936年以全优成绩毕业。而毕业前夕的一段实习经历,决定了他未来的事业方向:他到杭州钱塘江桥工地上干了一个月,从此,桥梁设计占据了他人生的重要位置。
  1938年秋,李国豪获德国洪堡奖学金资助,前往德国达姆施塔德工业大学进修。留学期间,他的表现与潜能引起土木系新到任的教授克雷伯尔的注意。爱才心切的克雷伯尔相中了李国豪,将他招至门下攻读博士。
  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工程,开始博士论文研究工作。他从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博士论文《悬索桥按二阶理论实用计算方法》,并用模型试验加以验证,从而以优异成绩获得工学博士学位。论文在《钢结构》杂志发表,这一年,李国豪刚刚26岁。
  1939年第二次世界大战全面爆发,李国豪获得博士学位后无法返回中国,留在克雷伯尔的教研室搞科研。1942年,李国豪又以论文《钢构分析的几何方法》,成为首名获得德国“特许任教工学博士”学位的中国留学生,这位双料博士对悬索桥、桁梁桥和结构稳定的分析作出了创造性成果,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,被各国教材所引用,尤其在德国,“悬索桥李”在土木工程界流传。
  二战结束后,李国豪偕同妻子,坐上一列美军军列赶到巴黎。叶景恩在回到中国之旅中生下李归华。几个月后,他们坐从法国到越南的船,于1946年3月到达西贡(现改名为胡志明市)。
  不久,李国豪带着叶景恩与李归华,踏上从西贡回中国的归程。同行的还有刘献之一家。到了上海后,在救济总署等了三天,工部局局长赵祖康安排他进了工务局结构处。其后,同济大学从四川迁回上海。1946年,李国豪重返母校,出任土木系主任。1946年任上海市工务局工程师。
  1948年,任同济大学工学院院长。
  1952年,院系调整后,他又被任命为同济大学教务长,领导学校专业建设的重任,创办了桥梁工程专业。1953年5月加入中国民主同盟。1955年被选聘为首批中国科学院学部委员(院士),同年任武汉长江大桥技术顾问委员会委员。1955年开始培养桥梁工程研究生。1956年起任同济大学副校长、第一副校长、国务院科学发展规划委主任。1956年2月加入中国共产党。1958年任南京长江大桥技术顾问委员会主任。1959年创建上海市力学学会,担任第一任理事长。
  1977年任同济大学校长,他主持制定了同济大学“严谨、求实、团结、创新”的校训,提出“两个转变”办学方针,恢复德语教学及与德国联系紧密的传统,恢复同济大学综合性大学的发展定位。1979年任上海市科学技术协会第二届主席、宝钢顾问委员会首席顾问。
  1981年论证并提出宝钢工程不应下马,使工程得以继续建设。1982年,李国豪任中国力学学会第二届副理事长。1983年4月至1988年4月,任上海市第六届政协主席。1984年不再担任同济大学校长后改任名誉校长。1987年以后,历任上海南浦大桥顾问组组长,上海杨浦大桥顾问,汕头海湾大桥顾问组组长,虎门珠江大桥顾问组组长,广东伶仃洋大桥工程顾问委员会首席顾问,上海–崇明公路越江通道方案评选会议专家组组长。
  1994年当选为中国工程院首批院士。1996–2002年任上海国际航运中心洋山深水港工程历次论证预评审会议专家组组长。2000年与14位院士写信给中央领导,建议加快洋山深水港建设。2002年任东海大桥名誉顾问。
  2005年2月23日17时37分,一代桥梁大师在上海华东医院逝世,享年92岁。
  主要成就
  1、悬索桥李--变位理论的实用方法
  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。
  2、结构稳定理论
  在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。
  3、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数。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。
  4、桥梁振动理论
  在30年代,铁路桥梁在蒸汽机牵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这种复杂结构的振动问题。他很快就弄清了悬索桥的自振特性,并且顺利地将Ing1is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。李国豪使同济大学逐渐成为我国防护工程和地震工程学科的研究中心之一。
  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;改进了颤振分析的试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。他始终站在学术界的前沿,指引着科研前进的方向。
  5、梁桥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,比梁格系模型的精度高,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结构,有着不同于梁桥的荷载分布规律。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于拱桥,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各向异性板的弯曲理论,使各向同性斜板理论和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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