中国教育报:陈政清院士:从乡村教师到“大桥院士”


    1

    中国工程院院士、湖南大学土木工程学院教授陈政清与他开发的斜拉索用磁流变阻尼减振器

    2

    1987年,陈政清获西安交通大学博士学位

    3

    陈政清在1000吨的调谐质量减振器安装现场

    4

    陈政清在美国实验室工作

    让我们把目光瞄准湖南西北部,著名旅游景区,张家界。日前,一座世界最高、最长的玻璃桥在张家界大峡谷上合龙,目前正在铺设玻璃,不久之后将向游客开放。张家界大峡谷玻璃桥主跨430米、桥面长375米、宽6米、桥面距谷底相对高度约300米,是架在绝壁峡谷之间的异型人行桥。大跨度人行桥的动力设计比车行桥的设计难度大,特别是在有效科学解决抗风、人致振动方面是一项世界性的技术难题。

    新晋中国工程院院士、湖南大学风工程试验中心主任陈政清教授正是解决这座大桥抗振、抗风难题的主要负责人。在这一工程中,他的抗风和消除人致振动等研究成果得到科学运用,使这座大桥能抵抗17级风和保证游客安全行走。

    实际上,在国内许多著名的桥梁中,比如我国第一座悬索桥汕头海湾大桥、第一座三塔悬索桥泰州长江大桥、最大跨度斜拉桥苏通长江大桥、创下四个世界第一的湘西矮寨大桥、横跨洞庭湖的洞庭湖大桥等等,都可以看到陈政清的身影。目前,陈政清是我国两位研究桥梁抗风抗震的工程院院士之一。他在国内率先独立完成了柔性结构三维大变形理论并开发出设计程序,在国内第一个建立了完整的三维颤振理论体系,发明了永磁式磁流变减振技术和电涡流减振技术,这些成果被评价为“对我国桥梁技术赶超世界先进水平有直接贡献”。

    让人意外的是,陈政清并不是桥梁工程专业出身,他从本科到博士学的都是力学。而当年,他还是一位乡村教师,30岁才走进大学。这位68岁才评上院士、曾被誉为“杀入桥梁界的‘黑马’”的大家,究竟有着怎样的人生呢?

    从乡村教师队伍走出来的力学博士

    1947年,陈政清出生在湖南省湘潭市一个商店职员家庭,良好的家庭环境给了他良好的修养和家庭教育。从小学到高中,他一直品学兼优。然而,像当年许多青年一样,陈政清未能在时代面前有所例外。1968年,在湘潭市一中读完高中的他,被下放到了位于岳阳市的钱粮湖农场做知青。

    做了“农民”,陈政清不怨天尤人,一如既往地勤奋,迅速掌握了生产要领,把能干的农活都学会了。除草、犁田、插秧,他样样都行,干起活来不知疲倦。“那时候,我也不知道一亩田有多大,后来一量,居然一天犁了五亩地。”陈政清笑着回忆说。在农场里,陈政清经历了人生一场大难。1970年,他不幸患上了血吸虫病,许多人在这种病上倒下了,但他竟然痊愈了。但因为这场大病,陈政清失去了被推荐成为工农兵大学生的宝贵机会。

    尽管遭遇种种艰难,陈政清始终保持坦然而坚定的心。“我没有遭遇什么坎坷的路,只有漫长的路。我耐性比较好,能持之以恒,比较爱好学习和科研,无论有条件还是没有条件,都能专心投入学习,这样才能抓住机遇。”他说。

    1971年,陈政清重新当回了“知识分子”。当时,钱粮湖农场下放了1000多名知青,农场利用这些知青,在各个分场都办了一所中学。陈政清被“提拔”成为一所分场中学的既非公办、也非民办的教师,数学、物理、化学等等都教。

    在这段时间里,陈政清利用教书的机会,如饥似渴地阅读了大量书籍,自学了高等数学、电子理论等大学课程。

    他的最初理想是学电子专业,并梦想着有一天能考上大学。然而,梦想的实现似乎遥遥无期,恢复高考的政策迟迟没有曙光,而当初同来的许多人已经陆陆续续回城,陈政清还是在那个偏远的小镇当着身份不明的教师。陈政清等了一年又一年,终于有点绝望。不过,即使在最绝望的时候,许多人已经放弃,陈政清也没有放弃学习。他自嘲地说:“‘文革’十年,我学了一个文科大专,因为天天学马克思主义嘛!”

    1977年的夏天,一个好消息如同春风吹过久冻的大地:高考恢复了。陈政清激动不已,期待已久的机会终于到来了。他十分自信:“我相信经过这么多年的准备,高考绝对没问题。”

    果然,陈政清一举考上了湖南大学力学系,而且数学成绩是岳阳地区第一名。那一年,陈政清已经30岁了,成了全班年龄最大的同学,并且已经是一个两岁孩子的父亲。

    上大学之后,面对迟来的学习机会,陈政清十分珍惜,“‘文革’十年,我唯一吃亏的就是年龄。我这么大年龄了,再也不能耽误了,咬着牙也要坚持”。特别是英语,陈政清30岁才开始接触,但他日夜苦学,大学期间基本攻克了这一难关。

    在湖南大学7年,陈政清相继师从当时被誉为国内塑性力学“三巨头”之一的熊祝华教授和结构力学的王磊教授,获得硕士学位。在那个研究生像大熊猫一样珍贵的年代,他没有忙着找工作和赚钱,而是又考上了西安交通大学固体力学博士,师从中国工程院院士、清华大学杜庆华教授和嵇醒教授。

    他十分感谢几位恩师对他的培养。他说:“在湖大期间,我们77级确实享受到了最好的教育。当时教我们的都是有名的老师。像熊祝华教授,对我们要求十分严格,但师生感情非常亲近。在读博士期间,杜教授要求很严格,把我功底打得特别扎实,让我做的课题也是当时力学最前沿的弹塑性大变形的边界元方法,给我以后研究打下了良好的基础。”

    值得一提的是,30年过后,当听闻弟子当选为中国工程院院士,已经90岁的熊祝华对着前来看望的陈政清流下了眼泪,依然像当年教书时一样祝贺他、勉励他。熊祝华与陈政清的师生情,在湖南大学是一段佳话。

    读研期间,在湖南大学王磊教授的介绍下,陈政清还认识了地基专家王贻荪教授和许多土木工程方面的教授。这不但拓宽了他的知识面,更加深了他对土木工程专业与实践背景的了解,为他多年后在力学与桥梁专业之间找到一个自己的空间奠定了良好基础。

    接触陈政清的人都感叹,陈政清对学习有着惊人的热情。博士毕业时已经40岁的他,仍然一有学习机会就会抓住不放。1991年,英国有一个面向中国学生的专项资助项目,陈政清顺利地通过了由英方组织的考试,考取了英国文化委员会奖学金。

    在英国做访问学者期间,他总是最早一个来到研究所,最后一个离开,连清洁工都跟他熟识了。他告诉记者:“在英国留学期间,我比其他访问学者都勤奋,每天都去研究所,忙完这个忙那个,以至于有人误会我是那个研究所的员工呢。”

    杀入桥梁界的“黑马”

    1987年,陈政清博士毕业,被分配到长沙铁道学院桥梁研究室工作,担任桥梁动力学专家、中国工程院院士曾庆元教授的助手,开始与桥梁结缘。

    桥梁对他来说,是个不熟悉的领域,但是他积极向老师请教,还跟着学生一起上课,很快就过了桥梁基础知识这一关。

    我国是一个桥梁大国,早在1400多年前,我国已经建造了被誉为“国际土木工程历史里程碑”的赵州桥。然而,近代以来,我国桥梁建设方面全面落后。陈政清认定,随着国家经济建设如火如荼的开展,桥梁必然成为最重要的土木工程之一,特别是桥身长、跨度大的桥梁必将成为下一阶段的重点。

    上世纪80年代末,铁道部大桥局开始设计中国第一座跨度达400米的大桥——武汉长江二桥。当时该桥的设计人员只是了解到,这种大桥会有一种非线性效应,但如何确定非线性效应的影响程度,当时国内的研究结果很不一致。

    工作人员找到曾庆元。曾庆元一想,我们这里不是刚好来了一个力学博士吗?就推荐了陈政清。获悉这个消息,陈政清敏锐地感觉到自己的机遇来了!因为非线性分析正好是他的博士论文的研究方向。找准切入点后,陈政清反复进行理论推导和计算,整整用了一箱子计算纸。

    6个月后,他成功了。他清楚地记得,那天是1990年3月8日,计算机室里只剩他一个人在埋头苦算。当终于计算出准确答案的那一刻,陈政清高兴得绕着空旷的实验室跑了几圈,享受着成功的喜悦。

    成功开发出适用于悬索桥与斜拉桥的非线性分析计算理论后,陈政清依据这个理论为武汉长江二桥编成实用计算程序,并为设计方计算出全桥各部位非线性影响因子,该方法的计算效率比当时的通用程序提高50倍以上。国际桥梁风工程权威、美国教授KJ.Bathe专门给陈政清写了一封信:“你奇迹般地提高了计算效率。”

    一个有意思的小插曲是,成功解决武汉长江二桥的问题后,设计方给学校拨了5000元经费,后来陆陆续续增加到2万元。陈政清拿到一部分经费,高高兴兴地去买了一台“386”。有了人生第一台电脑,他再也不用趴在纸上埋头苦算了。

    在上述研究成果的基础上,陈政清又独立编制出我国第一个大跨度桥梁空间静动力非线性分析程序,解决了我国大跨度桥梁建设急需空间非线性分析程序的难题,在我国大跨度桥梁建设史上发挥了重要作用。他的这套理论与方法得到国内外学者的广泛认同与高度评价,先后被同济大学、铁道部、云南省设计院、湖南省交通设计院等多家单位采用,并用于多座重大桥梁工程的设计与咨询,包括我国最大的斜拉桥(苏通大桥)和悬索桥(西堠门大桥),以及首座三塔悬索桥(泰州大桥),被业内评价为“根本性的改进”。2007年,陈政清获得国家科技进步二等奖。

    把脉桥梁抗风的“医生”

    随着经济的发展,我国大桥建设项目越来越多,跨度越来越大,桥梁受到的大风挑战也越来越大。跨度大了,桥梁结构刚度就变小,风吹过就会有振动。

    早在1940年,大风曾经导致美国塔科马大桥的倒塌:桥面像纸片一样被吹起,又像油条一样扭曲在一起,坍塌入海中。

    桥梁抗风已经成为造桥中最主要的安全问题!

    对此问题,我国直到改革开放后才开始系统研究。作为桥梁专家,陈政清深刻认识到桥梁抗风的重要性,一直致力于桥梁抗风研究。在由技术引进到逐步超越的过程中,陈政清做出了重要贡献。

    在科学研究上,陈政清善于从问题中发现科研方向。桥梁抗风研究即是如此。1988年,湖南大学刘光栋教授邀请同济大学项海帆教授作桥梁抗风的报告,这在当时,还是一个比较陌生的课题。

    陈政清笑着说:“我坐在那里没听懂,我估计也没几个人听懂。但是我了解到很重要的一点,就是跨度大的桥梁,抗风的问题就大,而跨度大的桥梁,必然是未来桥梁建设方向,因此如何抗风就成了一个很重要的课题。”

    有了这次经历,陈政清就牢牢记住了一个关键词:桥梁抗风。1991年,陈政清到英国做研究,报的就是桥梁抗风这一方向。

    英国当时在桥梁抗风研究上处于国际领先位置。不过,当时他们还有一个问题没有攻克,那就是桥梁因风引起的三维颤振分析。当时普遍采用的是两参数颤振理论求解,只能通过设计人员一步一步计算得来,因此,也就没有办法让一般设计人员根据某种理论或者模式设计,不能大面积推广,且计算过程十分繁杂。

    怎么找到一个相对简便的方法?经过刻苦研究,陈政清在国际上最先提出了单参数搜索的思想,创立了预测桥梁颤振失稳临界风速的三维分析方法,大大简化了搜索过程,而且可实现自动搜索——这好比原来需要在一座城市寻找一个人,现在只需在一条街上搜索一个人。

    从线性到非线性、从二维到三维,对于所有工科理论、计算、实验来讲,都是了不起的进步。英国最有名的一座悬索大桥赛文桥,应用三维颤振理论得到相关数据,只用了3秒钟,而当初设计这座桥时,这一过程是一个星期。

    这让导师很是惊讶。陈政清初到英国时,导师做的第一件事是,来,我给你们讲讲计算机怎么用。显然,在他眼里,中国来的学者,水平是很低的,恐怕连计算机都不会使用。

    三维颤振理论被广泛应用到大桥建设当中,一般的设计人员都可以根据这一理论进行大桥抗风设计,这大大提升了大桥抗风水平。我国早期的大桥,比如虎门大桥和江阴大桥,都应用了这一理论。

    在抗风上,陈政清还有许多杰作。著名的湘西矮寨大桥便是其中之一。

    矮寨特大悬索桥飞越1000多米的德夯大峡谷,海拔571.1米,如若遇上狂风,大桥的稳定性和安全性如何?陈政清决定采用“多稳定板技术”来解决矮寨大桥原设计方案抗风性能不足的问题。

    为了更好地反映峡谷地貌,确保大桥抗风性设计的稳定性与安全性,陈政清带领团队把几公里范围内的峡谷地型全部都做了模型,并且制作了直径为4米、1:500的桥址地形模型,放置到湖南大学风工程试验研究中心进行风洞实验。

    根据风洞试验的结果,陈政清发现,通过稳定板的设置能够很好地提高矮寨大桥的抗风性和稳定性。这些抗风稳定板既经济,安装又便利,只需在桥面上、下分别布置纵向的、钢材质的抗风稳定板即可。如今,矮寨大桥最高能抵抗55米/秒的风速,远高于初期设计方案的十二级飓风35米/秒的风速。

    永不停歇的“平民实干家”

    “陈老师每隔一段时间,就会有新的想法,科研干劲比我们年轻人都大,有时我们感觉都跟不上他的思想步伐。”陈政清的学生、湖南大学桥梁系风工程试验研究中心副主任华旭刚跟随陈政清学习、共事已有17年,在他的印象里,陈政清是一个永不停歇的“平民实干家”。

    在陈政清的学生看来,他们共同的印象除了老师待人和蔼可亲之外,另外的关键词就是思维敏捷、科研严谨、永在创新。学生张弘毅告诉记者这样一个小故事:一次他起床发现陈老师发来的一个短信,是凌晨三点发的,内容是一个减震设计项目的一些参数需要改进。

    为何干劲这么足?在陈政清自己看来,“搞科研不能功利性太强,必须热爱科研,不然就会觉得是苦差事”。他还说:“工程科学研究仅仅有理论是不够的,我们需要把理论成果应用于解决实践中的问题,把科研成果转换成生产力。”

    在科研工作中,陈政清一直遵循“问题导向创新,创新实现超越”的原则。同行评价他有两个突出的特点,其中之一就是每项研究都包括理论—试验—应用的完整过程,能及时解决工程中急待解决的重大难题。

    这样的例子在陈政清科研生涯中数不胜数。

    全长5747.8米、横跨东洞庭湖区的洞庭湖大桥是国内第一座三塔斜拉桥。地处风雨区,洞庭湖大桥建成后多次受到大风和大雨的共同破坏,发生拉索“风雨振”现象。一旦风雨大作,桥梁拉索上便会形成“上雨线”,加剧振动的幅度。2001年4月10 日,8级大风连续20多个小时摇撼着洞庭湖大桥,上百根碗口粗的钢丝拉索上下大幅度地晃动,整个桥身在颤抖,靠近拉索的路灯都被打碎。

    为了解决洞庭湖大桥“风雨振”这个大难题,陈政清不仅泡在实验室做研究,还多次驱车到大桥现场考察,甚至冒着风雨翻越栏杆去观察情况。经过连续、长期的现场观测,陈政清获得了风速、风向、雨量等参数对“风雨振”的影响规律。在不断的实验过后,陈政清掌握了拉索“风雨振”的振动特征和机理,决定用磁流变阻尼器取代油阻尼器。这种阻尼器原是应用在高级赛车中的减振设备,可以极大地减轻高速行驶中的车辆振动。

    然而,当时所用的磁流变阻尼器只能在受压状态下起作用,抗力的方向与大桥需要刚好相反,怎样才能将它用在大桥上?陈政清反复思考,十几天下来,人都瘦了一圈。一个晚上,他苦苦思索至深夜才入睡。一觉醒来,他猛然想到了一个三维设计图,终于找到了日思夜想的“钥匙”。

    陈政清开发了磁流变拉索减振系统,并对系统内的各个部件进行精心设计,保证了其有效性和耐久性。这种手电筒大小的特殊构件被连在每根拉索的下端,提供了运动的阻力,使得拉索的自由振动衰减,洞庭湖大桥的“颤抖病”顿时痊愈。洞庭湖大桥也成为世界上第一个应用磁流变减振的桥梁工程。

    这项成功整治“风雨振”的成果,被美国权威刊物《土木工程》杂志称为“世界上第一套应用磁流变技术的拉索减振系统”。2003年,包括陈政清这项成果在内的洞庭湖大桥的设计,获得国家科技进步二等奖。

    战胜洞庭湖大桥“风雨振”之后,陈政清冷静地考虑了一个问题:中国桥梁修得太快,创新不够,技术上比较相似,包括施工方法等都没有太多特色。在桥梁的建设中,大风很可能还会给我们提出各种意想不到的难题,要迎接更大的挑战,就应该拥有更好的实验手段。

    他四处奔波,精心设计,于2004年10月建成了达到国内一流水平的湖南大学风洞实验室。这个实验室占地约1800平方米,有两项技术指标达国内之最,可以用各种人造狂风冲击大桥模型和重要部件,能为大桥设计提供准确数据。

    如今,已经68岁的陈政清,站在这座大实验室里,依然雄心勃勃:“今后,我们的风工程要逐渐从单一的桥梁方向,转向核电站的冷却塔、风力发电机、大型输电塔、房屋抗风、环境中的有害气体扩散等多个领域。”

Copyright © 2015湖南大学土木工程学院 All rights reserved.
通讯地址:湖南长沙岳麓山 邮编:410082 Tel:0731-88822610