曾慶元：突破列車脫軌的世界級難題

曾慶元在工作。圖片|今日科

大秦鐵路是我國第一條雙線電氣化重載鐵路，是我國“西煤東運”的能源大通道。2020年8月，受暴雨影響，大秦鐵路曾在一周內(nèi)發(fā)生兩起列車脫軌事故。

據(jù)統(tǒng)計，列車脫軌引起的事故已占整個鐵路運輸事故的七成左右。不明原因列車脫軌的理論分析，一直是非常復(fù)雜和困難的課題，100多年來國內(nèi)外都未解決。而在2005年，中國工程院院士、橋梁動力學(xué)專家曾慶元的《列車脫軌分析理論與應(yīng)用》出版，一舉突破了這一世界百年難題。

“土生土長”的農(nóng)民院士

在眾多有著杰出留學(xué)經(jīng)歷的院士中，曾慶元或許更符合一個“異類”的設(shè)定，他沒有出國留學(xué)和工作的經(jīng)歷，學(xué)術(shù)生命、精神、成就全是在中國本土文化的沃土上形成、發(fā)展起來的。

1925年9月20日，曾慶元出生于江西泰和縣螺溪鎮(zhèn)三都圩鄉(xiāng)鄭洲村的一個農(nóng)民家庭，為維持最起碼的物質(zhì)生活，曾慶元的父母常常起早貪黑勞作。

曾慶元讀書時，教書先生發(fā)現(xiàn)他的記憶能力特別強(qiáng)，于是每天給他安排的背誦功課總是比別人多，而他每次都能按時完成，并且流利背誦。4年時間，他從沒有挨過先生的“板子”，也比別的學(xué)生學(xué)得更扎實。

曾慶元的父親出于尊重知識分子的傳統(tǒng)觀念，加上器重兒子學(xué)習(xí)上的天賦，堅信“惟有讀書高”，縱使家境貧寒也不肯讓曾慶元退學(xué)。

曾慶元深知家人的用心良苦和滿腔期待，1946年9月，他以優(yōu)異成績考入國立中正大學(xué)（現(xiàn)南昌大學(xué)），并獲得“甲等公費”求學(xué)資格，師從著名學(xué)者蔡方蔭、王修寀、汪良一等人，主攻力學(xué)。

事業(yè)一波三折卻永不言敗

1950年7月，曾慶元從南昌大學(xué)畢業(yè)，因成績優(yōu)秀留校擔(dān)任土木工程系助教。

1952年年初，曾慶元與10多名同系教師被派往江西向塘參加機(jī)場修建，從事測量工作。當(dāng)時外出工作的物質(zhì)條件十分惡劣，剛到工地的那幾天，大家吃的是沒油沒鹽的粗糧，晚上只能睡在三條板凳拼成的“床鋪”上，還要承受蚊子的叮咬……

雖然環(huán)境惡劣，但為了完成測量工作，曾慶元常常不避風(fēng)寒暑熱，也不計時間早晚，甚至赤著腳上陣測量。

受國家高校院系調(diào)整的影響，原就職于南昌大學(xué)土木工程系的曾慶元被任命為中南土木建筑學(xué)院橋梁與隧道系結(jié)構(gòu)力學(xué)教研室助教。1954年1月，他被派往哈爾濱工業(yè)大學(xué)攻讀木結(jié)構(gòu)碩士研究生，后轉(zhuǎn)入清華大學(xué)攻讀鋼結(jié)構(gòu)。

畢業(yè)后，他回到中南土木建筑學(xué)院，擔(dān)任建筑結(jié)構(gòu)教研組助教，但工作還未穩(wěn)定，他又被下調(diào)到漣源鋼鐵廠參加勞動鍛煉。

盡管遭遇了學(xué)非所用的尷尬，但習(xí)慣于在學(xué)術(shù)上韜光養(yǎng)晦的曾慶元選擇“隨遇而安”。他干勁十足，在鋼鐵廠技術(shù)革新上，提出了很多有效的方法，還被評為乙等光榮生產(chǎn)者、丙等勞動鍛煉先鋒。工作之余，他將時間都用在了研讀鋼結(jié)構(gòu)方面的專業(yè)書籍上，為日后從事鋼結(jié)構(gòu)研究夯實了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)50年代末60年代初，長沙鐵道學(xué)院成立，為了加強(qiáng)橋隧專業(yè)的師資力量，學(xué)院點名調(diào)入曾慶元。

圖片|中國科學(xué)報

突如其來的“換專業(yè)”讓曾慶元措手不及。他原本在工業(yè)與民用建筑的房屋鋼結(jié)構(gòu)研究上已輕車熟路了，面對突然轉(zhuǎn)向橋梁鋼結(jié)構(gòu)的研究與教學(xué)，他在“蒙”的同時，迅速擺正了自己的心態(tài)，將挑戰(zhàn)化為機(jī)遇，開始了新一輪的征程。

他說：“到鐵道學(xué)院是我一生中最大的機(jī)遇。因為當(dāng)時的工民建是比較成熟的領(lǐng)域，要有所突破和發(fā)展很難;而鐵路建設(shè)當(dāng)時剛剛起步，大有發(fā)展前途?！?/p>

當(dāng)時曾慶元腰腿有疾，行動不方便，但他還是下力氣學(xué)習(xí)了許多鋼橋疲勞強(qiáng)度、鋼橋振動等鋼橋知識。

長沙鐵道學(xué)院建校伊始，百業(yè)待興，工作環(huán)境很差。1960年秋季開學(xué)時，教學(xué)樓只建到三樓，還沒有窗戶，大家只好邊建邊用，上面的樓層照建不誤，下面師生照常上課。

當(dāng)時教室的陳設(shè)極其簡陋。墻上打兩顆釘子，掛上一塊涂了黑漆的木板當(dāng)黑板;屋里擺的課桌椅都是四處湊來的。教師們的居住條件、生活環(huán)境、科研設(shè)備也都很簡陋。曾慶元身患坐骨神經(jīng)痛尚未痊愈，右小腿的終身萎縮也帶來了許多不便，即便如此，他還是堅持拄著拐杖上課。

當(dāng)曾慶元準(zhǔn)備重振旗鼓，在教學(xué)、科研上取得新的突破的時候，工作受到了當(dāng)時社會形勢影響，進(jìn)度緩慢。學(xué)生停課、停學(xué)，他就利用這塊完整而大量的時間，躲進(jìn)三尺小屋，偷偷讀書，把原來在清華讀研時收藏的書又好好地重讀了一遍。這期間，他將符拉索夫、柏拉希、鐵摩辛柯的力學(xué)理論精髓，愈加深入理解并熟練運用，

他說：“那幾年反倒讓我安安靜靜讀了不少書，理論上提高了不少?！?h3>厚積薄發(fā)筑起安全屏障

1976年，長沙鐵道學(xué)院到九江長江大橋工地開門辦學(xué)。九江長江大橋位于贛、鄂、皖三省交界處，是我國當(dāng)時規(guī)模最大的一座公、鐵兩用橋，正橋三大主跨有三個弧形拱圈伸出公路面，共11孔鋼梁，最大跨度為216米，創(chuàng)我國鐵路橋跨度之最。

九江長江大橋的建造涉及很多力學(xué)知識，這對參與九江長江大橋建設(shè)的曾慶元來說十分重要。

當(dāng)時設(shè)計院的工作人員在現(xiàn)場對一個40米混凝土簡支梁的扭轉(zhuǎn)計算產(chǎn)生了分歧，曾慶元幫他們進(jìn)行了重算。他在自己創(chuàng)立的桁梁空間分析法的基礎(chǔ)上，又提出一種箱形梁計算的板梁框架法，算出了該箱梁在自重下“三條腿”時的最大扭曲拉應(yīng)力和最大豎向位移，還撰寫了論文《薄壁箱形梁在偏載作用下的計算》。

曾慶元算出的九江長江大橋引橋40米箱形梁約束扭轉(zhuǎn)應(yīng)力及位移的正確值，與1977年該梁原型試驗值非常接近，這個精度讓在場的專家們心服口服。

1978年，該成果在鐵道部科學(xué)大會上獲得兩項獎，但獎項下卻既沒有長沙鐵道學(xué)院的名字，也沒有曾慶元的名字。曾慶元對此卻并不十分在意，“對于我而言，只要解決了實際問題，就是最好的獎勵，只要方法對頭，計算準(zhǔn)確，我就無比欣慰”。

1978年11月，53歲的曾慶元被聘為副教授，開始招收研究生。他認(rèn)識到，帶研究生需要有穩(wěn)定的研究方向。于是經(jīng)過一番深思熟慮后，他最終確立了“車橋振動”作為自己和他的學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊的研究方向。

隨著中國鐵路事業(yè)快速發(fā)展，列車出軌的事故時有發(fā)生。作為一名從事橋梁方面研究的學(xué)者，曾慶元深知自己的責(zé)任與使命。

他曾多次告訴學(xué)生，要多關(guān)注橋梁建造方面的負(fù)面信息，找出事故發(fā)生的原因，從而及早杜絕。

曾慶元知道研究“車橋振動”的終極目的是要解決列車脫軌的問題。他爭取在最短的時間內(nèi)弄到了國內(nèi)外關(guān)于橋梁建造方面發(fā)生的事故資料，旋即著手分析、研究。

1997年，他指導(dǎo)博士生向俊做有關(guān)列車脫軌問題的博士論文。這一年，曾慶元已經(jīng)72歲高齡了。

他帶著20多個“追夢人”克服科研經(jīng)費不足、經(jīng)驗不足等困難，北上沈陽，南下廣州，東至上海，西達(dá)貴陽，大量收集、分析事故資料，用自己設(shè)計的有效數(shù)學(xué)模型，在計算機(jī)上分析，并進(jìn)行了實車測試，構(gòu)建出了全新的“列車脫軌能量隨機(jī)分析理論”。

這一理論不僅圓滿地解釋了以往脫軌事故中無法解釋的復(fù)雜原因，而且能準(zhǔn)確預(yù)測列車是否脫軌，可以及時采取相應(yīng)的防范措施，可信度在99%以上，就這樣，困擾鐵路運輸100多年的世界難題被曾慶元攻克了。

同年，鐵道部科技司在長沙組織召開了這套列車脫軌分析理論與應(yīng)用研究的專家會議。

鑒定意見為“課題組實現(xiàn)了列車脫軌分析理論的重大突破，本理論研究成果為原始創(chuàng)新，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，具有很高的實用價值和廣闊應(yīng)用前景，為制定預(yù)防脫軌措施及標(biāo)準(zhǔn)提供了理論依據(jù)，可供線橋設(shè)計和規(guī)范修訂參考”。

2016年6月3日，曾慶元因病醫(yī)治無效逝世，享年91歲。

漫長的學(xué)術(shù)研究道路上，曾慶元不為名利，不畏艱難，萬里鐵路“走單騎”，致力于鐵路橋梁振動與穩(wěn)定的研究，直至攻破列車脫軌的世界級難題。

雖沒有大橋因他拔地而起，但他30年來的學(xué)術(shù)成就對未來鐵路橋梁的建設(shè)提供了指導(dǎo)，為無數(shù)的生命與財產(chǎn)安全筑起了一道堅實屏障。

曾慶元：橋梁動力學(xué)專家，中國工程院院士

語錄：

“做脫軌，這個是國家重大需求，鐵路上的頭等大事?！?/p>

“只要解決了實際問題，就是最好的獎勵。”

◎ 來源|采集工程項目辦公室/中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院