朱伯芳院士

      現(xiàn)代混凝土壩設計技術(shù)的優(yōu)秀實踐者

      1949年以前，我國只有一座日本人建造的豐滿混凝土重力壩，沒有自行設計的混凝土高壩，中國在混凝土壩的設計和施工方面是一片空白。1951年至1956年，朱伯芳參加了我國第一批三座混凝土高壩——佛子嶺連拱壩、梅山連拱壩、響洪甸拱壩的設計，并擔任響洪甸壩工組長。佛子嶺是我國自行設計建造的第一座混凝土高壩，梅山是當時世界上最高的連拱壩，響洪甸是我國第一座混凝土拱壩。在汪胡楨、曹楚生的領導下，朱伯芳與裘允執(zhí)、周允明、薛兆煒等一起，通過這三座大壩的建設，掌握了現(xiàn)代混凝土高壩的一整套設計技術(shù)，并有所創(chuàng)新。

      早在1952年，朱伯芳就針對當時國外壩工建設中，全壩均采用統(tǒng)一混凝土標號的做法，提出了根據(jù)不同應力水平，在壩體不同部位采用不同的混凝土標號的理念，運用于工程中后，節(jié)省了大量資金。此種做法如今已成為大壩設計中的常規(guī)理念；1953年，朱伯芳提出變厚度支墩壩應力的彈性力學解法；1955年，朱伯芳提出了有熱源水管冷卻解法及澆筑層水化熱溫升理論解，該成果早在20世紀50年代末即已享譽國內(nèi)外。如前蘇聯(lián)1959年編制的三門峽重力壩設計書中即有以下記載：“本壩冷卻水管的計算，采用了中國朱伯芳方法……”。

      1956年，由于在設計工作中的突出成就，朱伯芳當選為安徽省先進工作者。

      混凝土溫度應力的開拓者、結(jié)束“無壩不裂”歷史的關鍵技術(shù)

      溫度應力是水工混凝土結(jié)構(gòu)設計和施工的一個關鍵問題。朱伯芳以他敏銳的洞察力，早在1955即在國內(nèi)首先開辟了混凝土溫度應力和溫度控制的研究領域，并憑借他多年的工程設計實踐和深厚的理論功底，闡明了混凝土溫度應力的基本規(guī)律，建立了完整的計算分析和理論體系，提出了混凝土澆筑塊、基礎梁、船塢、水閘、重力壩、拱壩、孔口、庫水溫度、寒潮、水管冷卻等一系列溫度應力研究成果和計算方法，廣泛應用于實際工程，其中11項成果已經(jīng)納入國家重力壩、拱壩、船塢、水工荷載、水工混凝土結(jié)構(gòu)等設計規(guī)范。

      以他本人成果為核心的《水工混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應力與溫度控制》一書（75萬字），是大體積混凝土方面的重要著作，在水工混凝土結(jié)構(gòu)設計和施工中發(fā)揮了重要作用，并獲得國內(nèi)外高度重視和廣泛好評，1991年，日本建設省已將全書譯成日文。1982年，他以“水工混凝土結(jié)構(gòu)溫度應力研究”，獲得國家自然科學三等獎。此后，他又繼續(xù)在溫度應力和溫度控制方面積極研究，發(fā)表技術(shù)論文30余篇，對通倉澆筑常態(tài)混凝土重力壩、碾壓混凝土重力壩、碾壓混凝土拱壩的溫度應力和溫度控制進行了系統(tǒng)研究，于1999年出版了專著《大體積混凝土溫度應力與溫度控制》（115萬字）。

      國內(nèi)外混凝土壩“無壩不裂”是長期困擾水工界的一個世界性難題，朱伯芳對此進行了長期的系統(tǒng)研究。他先后提出了加強混凝土施工質(zhì)量控制、優(yōu)化材料抗裂性能、適當提高抗裂安全系數(shù)、嚴格控制基礎溫差和內(nèi)外溫差等指導思想，特別著重批判了廣為流行的混凝土齡期28d后無需表面保護的片面觀點，強調(diào)多數(shù)情況下應進行全年保溫。在他指導下進行溫控設計的江口拱壩和三江河拱壩，由于溫控措施得當，竣工數(shù)年未出現(xiàn)裂縫。三峽二期工程開始前，他建議加強表面保護，采用上游面5cm、下游面3cm泡沫塑料長期保溫，當時未被工程采納，施工后產(chǎn)生了較多的裂縫。三峽三期工程采納了他的意見，施工三年來，未出現(xiàn)一條裂縫。全世界 “無壩不裂” 的歷史可望結(jié)束。

      朱伯芳對溫度應力和溫度控制研究的成果，主要包括以下幾方面：（1）冷卻水管計算方法：有熱源，非金屬水管，等效熱傳導方程；（2）澆筑塊溫度應力：應力影響線，應力與塊長的關系，相鄰壩塊高差；（3）重力壩溫度應力：劈頭裂縫，無應力條件，壩體加高新方法；（4）庫水溫度及拱壩溫度荷載；（5）碾壓混凝土拱壩溫度荷載與接縫設計方法，碾壓混凝土重力壩溫度應力特點和同時考慮降溫、自重和水壓的算法；（6）船塢和水閘的溫度應力；（7）基礎梁溫度應力；（8）寒潮應力；（9）氧化鎂混凝土筑壩的基本理論；（10）結(jié)束“無壩不裂”歷史的指導思想和工程措施及在江口拱壩、三江河拱壩和三峽工程中的實現(xiàn)。

      混凝土徐變力學的深化與實用化

      實際工程中的結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)為非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，其徐變影響問題，過去一直沒有解決。朱伯芳首先給出比例變形條件，然后提出并證明了非均質(zhì)彈性徐變體的兩個基本定理，解決了非均質(zhì)結(jié)構(gòu)的徐變影響問題：當結(jié)構(gòu)符合比例變形條件時，在外力的作用下，徐變不影響應力，只影響變位。在溫度的作用下，徐變不影響變位，只影響應力，而且可用松弛系數(shù)法計算；如果結(jié)構(gòu)不符合比例變形條件，則徐變對應力和變位都有影響，而且不能采用松弛系數(shù)法計算。他提出的混凝土彈性徐變體有限元的隱式解法、子結(jié)構(gòu)法和簡諧徐變應力分析的等效模量法，使計算精度和計算效率得到很大提高，獲得廣泛應用。他還提出了混凝土彈性模量、徐變度、應力松弛系數(shù)等計算公式，均為我國新編水工混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范所采用。

      此外，1960年，朱伯芳提出計算巖基內(nèi)地下結(jié)構(gòu)山巖壓力的新的思路和方法，即考慮巖體蠕變和地應力計算山巖壓力的方法，比國外同類計算方法早提出4年，可惜該論文在1960年三峽科研會議上交流后，收入水科院論文集，而正值“三年困難時期”，論文被拖至1965年才正式出版，正式發(fā)表時間反而比國外的成果晚了一年。目前該方法已成為工程設計界廣泛接受的計算方法。

      在對大壩混凝土應力分析的過程中，施工過程對壩體應力有重要影響?；炷链髩问欠謱邮┕さ?，高壩的施工分層可達數(shù)百層之多，各層的材料性質(zhì)不同，并隨時間不斷變化。這種特點，使得仿真分析計算十分困難。對此，朱伯芳提出了并層算法和分區(qū)異步長算法，解決了這一關鍵問題。

      朱伯芳的一系列研究成果，使我國在混凝土徐變溫度應力分析方面的研究工作，處于世界領先水平。

      研究推廣有限元法，開辟混凝土壩仿真分析的研究領域

      “十年動亂”期間，朱伯芳被下放至河南省三門峽市郊的水利工地。逆境中他并沒有沉淪，從1972年開始，他聯(lián)合宋敬廷，把當時國外剛剛興起的有限單元法引進到國內(nèi)。朱伯芳的主要貢獻有：

      （1）與宋敬廷合作，編制我國第一個不穩(wěn)定溫度場程序，第一個混凝土溫度徐變應力程序（1972年），第一個彈性厚殼程序等5個有限元程序，并應用于大量工程計算；（2）徐變應力的隱式解法；（3）中國第一個混凝土壩仿真計算（1972年，三門峽底孔壩段）；（4）提出了混凝土高壩仿真的一整套高效率、高精度的計算方法，包括并層算法、分區(qū)異步長算法、并層壩塊接縫單元、水管冷卻等效熱傳導方程等；（5）撰寫出版《有限單元法原理及應用》一書，為設計、科研、工程、教學發(fā)揮了積極的作用。

      隨著時代的發(fā)展，有限元方法的推廣和計算機技術(shù)的逐步普及，隨之而來的是混凝土壩仿真分析研究的實用性及可行性增強，適用范圍進一步擴大，成果水平日益提高，從而為21世紀水利工程的設計和施工起到了關鍵性作用。目前，我國的高混凝土壩溫度應力及溫度控制仿真分析水平，在世界上處于領先地位。已經(jīng)用這套方法，對國內(nèi)數(shù)十座大中型水電站進行了溫度應力及溫度控制仿真分析，所得成果，被廣泛應用于設計和施工。

      2000年，他以“混凝土高壩全過程仿真分析及溫度應力研究”，獲國家科技進步二等獎。

      拱壩優(yōu)化改變了拱壩設計的傳統(tǒng)面貌

      中國興建的拱壩很多，約占全世界的一半。拱壩的體形設計比較復雜，且難度較大。過去主要依靠設計人員的經(jīng)驗和反復試算，設計一個拱壩體形，往往需要幾個月甚至半年以上時間，效率低，又不經(jīng)濟。

      從1976年開始，朱伯芳即探索用最優(yōu)化方法來進行拱壩體形設計。由于問題很復雜，當時很多專家對此能否成功持懷疑態(tài)度。經(jīng)過認真研究，朱伯芳比較滿意地解決了此問題，用優(yōu)化方法設計拱壩體形，只需3~5天時間，研究成果已獲得廣泛應用，所建立的拱壩優(yōu)化模型已應用于100多個工程，包括世界第一流拱壩的設計，使得工作效率大大提高，一般可以節(jié)省投資10%~25%，效益顯著。用該方法優(yōu)化設計的瑞洋拱壩，是世界上第一座用優(yōu)化方法設計的拱壩，節(jié)約投資30.6％，已竣工十多年，運行良好，被評為優(yōu)秀工程。1988年，“拱壩優(yōu)化方法、程序與應用”獲得國家科技進步二等獎，并被列為全國重點推廣的科技成果。課題組研制的拱壩優(yōu)化軟件，已向推向國外市場。

      拱壩優(yōu)化問題的難度較大，國外至今仍停留在研究階段，未能實用化。而朱伯芳的最大貢獻，是將拱壩優(yōu)化完全實用化。他在該領域的主要研究成果是：（1）建立了合理而實用的優(yōu)化數(shù)學模型，充分考慮了實際施工的各項因素，使優(yōu)化結(jié)果既經(jīng)濟又切實可行；（2）提出了一整套高效的優(yōu)化解法——如內(nèi)力展開法，比目前國外的方法快8~10倍；（3）提出了拱壩動力優(yōu)化方法，可在優(yōu)化中考慮地震荷載；（4）已優(yōu)化設計100余座拱壩，節(jié)約了巨額投資。如世界上第一座用優(yōu)化方法設計的拱壩——瑞洋拱壩，節(jié)約投資達30.6％；（5）主持編制的大型拱壩應力分析和優(yōu)化程序ADASO，可廣泛應用于各種類型的拱壩；（6）改進了拱壩應力控制標準；（7）提出有限元等效應力法及相應控制標準，已被拱壩新設計規(guī)范采用。

      為工程獻計獻策，為國家諫言把關  

      作為國內(nèi)一流的水利工程專家，從上世紀50年代末開始，朱伯芳就經(jīng)常參加國內(nèi)一系列大型水利水電工程的評審和咨詢工作。他以一個科學家的真誠與執(zhí)著,為工程獻計獻策，為國家諫言把關。

      在三峽工程大壩采用碾壓混凝土壩還是常態(tài)混凝土壩的問題上，朱伯芳以他多年積累的對水工混凝土的認知，本著實事求是、對工程負責的原則，力排眾議，堅持提出了自己的建議：認為就三峽的具體條件而言，不適于采取碾壓混凝土的澆筑方式。他的意見最終被工程采納，實踐結(jié)果證明，他的意見是正確的。

      在混凝土壩的設計和施工中，如何正確地決定混凝土的強度指標，是一個十分重要的問題。1997年發(fā)布的《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》DL/T5057和電力行業(yè)《混凝土重力壩設計規(guī)范》都停止使用混凝土標號，改用混凝土強度等級。朱伯芳認為，混凝土強度等級用于工業(yè)民用建筑是合適的，而用于大壩是不合適的。正在編制中的水利行業(yè)《混凝土重力壩設計規(guī)范》和電力行業(yè)《混凝土拱壩設計規(guī)范》，原稿本擬改用混凝土強度等級，經(jīng)朱伯芳提出建議后，已決定不采用混凝土強度等級，繼續(xù)沿用混凝土標號。這一決定對我國今后的混凝土壩設計和施工將產(chǎn)生重要的影響。

      另外，朱伯芳對特高拱壩安全系數(shù)的建議，已被目前建設中世界最高的小灣拱壩采納。朱伯芳還以他強烈的社會責任感，積極參與到各項社會活動之中，對我國目前關于防洪、退田還湖、封山育林、科技體制改革等涉及到的問題，在各個不同的場合，積極諫言，參政議政。

      善于學習 勤于思考 源于實踐 勇于創(chuàng)新

      兩院院士中的絕大多數(shù)人，都是從國外留學歸來，或在國內(nèi)取得博士、碩士學位，而朱伯芳只讀了三年大學，嚴格說來大學都未畢業(yè)，用他自己的話來說，之所以能夠作出一些成績，主要靠三條：（1）重視工程實踐；（2）勤奮；（3）勇于進取。

      朱伯芳思維敏捷，才智過人，工作勤奮。他1951年從上海交大提前畢業(yè)參加治淮，大學3年中，數(shù)學只學過內(nèi)容很淺的微積分和常微分方程，力學只學過材料力學和結(jié)構(gòu)力學，連水工結(jié)構(gòu)和彈性力學都沒有學過。參加工作后，一直忙于工作，從未得到過進修機會，但他幾十年如一日堅持“白天好好工作，晚上好好學習”的信條，在繁重的設計和科研工作之余，利用業(yè)余時間，爭分奪秒地系統(tǒng)學習與工作有關的基本理論與科技文獻。剛參加工作初期，身處大別山腹地，非常閉賽，沒有書店，沒有圖書館，想買書都買不到。朱伯芳就利用同事出差、探親到大城市的機會，開出長長的書單，托他們代為買書。工夫不負苦心人，勤奮學習的結(jié)果，使得他在迅速積累工作經(jīng)驗的同時，急劇提高了自己的理論水平。早在1953年，他就用彈性力學求出了變厚度支墩壩應力的理論解，在1955年，用拉普拉斯變換、貝塞爾函數(shù)和積分方程給出了有熱源水管冷卻和澆筑層水化熱溫升的理論解。這些在50年后的今天仍不斷被人們引用的高水平的成果，表明他當時不但掌握了現(xiàn)代壩工設計技術(shù)，還具備了精湛的理論水平。

      文革10年下放三門峽工地，既沒有科研設備，科研任務也很少，全家人住在土坯砌筑的簡易工棚中，連炊飯用煤都要自己拉板車到幾十里外的三門峽市去購買。生活上的艱苦和工作上的無事可干，使得不少善良的人們逐漸消沉下去。然而朱伯芳不顧客觀條件的艱難，選擇了自強不息的道路。10年里，在大山深處最簡陋的土坯房中，夜以繼日地研究著當時世界最先進的有限元和拱壩優(yōu)化，主編了5個有限元程序，出版了兩本專著，發(fā)表了20多篇論文，為一系列水利工程提供了大量研究成果。他的一系列著作，在幾十年后的今天，仍被大量應用。如今朱伯芳已是年逾古稀的老人，仍孜孜不倦，堅持學習，思維仍十分銳利清晰，始終引領本專業(yè)方向。以至于他周圍的許多年輕人，都感嘆跟上他的思維節(jié)奏不是一件容易的事情。

      難能可貴的是，與純粹的理論家和單純的實踐家不同，朱伯芳集兩者為一身，將水工混凝土結(jié)構(gòu)的理論和實際完美的結(jié)合在一起，造就出我國杰出的水利工程和固體力學專家。他的個人經(jīng)歷，涉及設計、施工、科研各個領域。從朱伯芳身上，我們看到了科學家兼工程師的許多優(yōu)良品質(zhì)。他不斷開拓新的研究領域，始終站在科學研究的第一線。為了摸清生產(chǎn)中存在的問題，他幾乎跑遍了國內(nèi)所有混凝土壩工地；面對現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，他廣泛涉獵周圍學科，跟蹤國際新技術(shù)的發(fā)展趨勢；他緊密聯(lián)系實際，勇于開拓，不斷為我國水利工程的設計、科研和施工提供一系列開拓性的成果。

      朱伯芳個性剛毅，脾氣耿直，性情直爽。由于這種性格，他身處逆境不氣餒，在十年動亂人生境遇最困難的時期，仍自強不息，積極研究有限元方法、拱壩優(yōu)化及混凝土筑壩技術(shù)的關鍵問題，奠定了日后事業(yè)的輝煌；也還是由于這種性格，他能抓住關鍵、獨立思考、堅持原則、不隨大流，在許多重大問題上提出自己獨到的見解。

      朱伯芳熱情關懷年輕人的培養(yǎng)與成長，循循善誘，不遺余力。他擔任20多年研究生導師，培養(yǎng)出一批博士、碩士，如今都是各自崗位的骨干力量。他開創(chuàng)的混凝土溫度應力、混凝土徐變和拱壩優(yōu)化三個研究領域，造就了許多專業(yè)人才。他關心周圍同事的成長，嚴格要求身邊的每一個人。朱伯芳經(jīng)常告誡他的學生們，要“勤于工作，勤于學習，勤于思考。”要求學生做到的，他自己首先做到。他對工作抓得很緊，分秒必爭，全身心投入。他的工作效率極高，雖年逾古稀，仍主持著國家重點科研項目，每年在國內(nèi)外刊物上發(fā)表5~6篇論文。所有文章的中英文都是他親自撰寫，其中的計算方法和公式大都是他親手推導。

      朱伯芳常對年輕人說：“對于一個科技工作者來說，勤于工作，勤于學習是必要的，但光有這兩條還不夠，還要勤于思考。” “生活中不乏這樣的人，工作和學習都很勤奮，讀了不少書，看了不少文獻，搞了多年的研究工作，但好的科研成果不多，為什么？一個重要的原因是思考不夠。”他是一個勤于思考的人，對于自己的研究課題，他常常提出比較高的目標，然后反復琢磨；對于一個問題，他經(jīng)常是把各種影響因素找出來，梳理排序，并在研究工作中從不同角度反復思考、探究。他非常重視對中間成果的檢查分析，以便從中發(fā)現(xiàn)問題。朱伯芳把他的畢生精力和智慧，都奉獻給了中國的水利水電事業(yè)，碩果累累，從而得到人們的尊敬和推崇。

（作者：胡平）

簡 歷
1928年10月17日  出生于江西省余江縣。
1948年～1951年  上海交通大學土木工程系學習。
1951年～1956年  參加治淮工程，先后參加了安徽佛子嶺、梅山、響洪甸三水庫的設計，任技術(shù)員、工程師、壩工組長。
1957年～1969年  水利電力部水利水電科學研究院結(jié)構(gòu)材料研究所任工程師、組長，從事混凝土高壩研究，在我國開辟了混凝土溫度應力、混凝土徐變理論等新的研究領域。
1969年～1978年  水利電力部第十一工程局勘測設計研究大隊任工程師、課題組長，從七十年代初開始，積極推廣有限單元法；從1976年開始，開辟了拱壩優(yōu)化這一新的研究領域。
1978年～ 至今    中國水利水電科學研究院教授級高級工程師、博士生導師、研究室主任、兼任水利部和國務院南水北調(diào)辦公室科學技術(shù)委員會委員，1984年被授與首批國家級有突出貢獻科技專家稱號，1995年當選為中國工程院院士，第八、九屆全國政協(xié)委員。

主要論著
1  朱伯芳，有內(nèi)部熱源的大塊混凝土用埋設水管冷卻的降溫計算，水利學報，1957，4：87-106。
2  朱伯芳，王同生，丁寶瑛，重力壩和混凝土澆筑塊的溫度應力，水利學報，1964，1：30-34。
3  朱伯芳，在混合邊界條件下非均質(zhì)粘彈性體的應力與位移，力學學報，1964，2：162-167。
4  朱伯芳，粘彈性介質(zhì)內(nèi)地下建筑物所受的山巖壓力，水電科學院論文集第五集，1965：83-96。
5  朱伯芳，王同生，丁寶瑛，郭之章，水工混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應力與溫度控制，水利電力出版社，1976.
6  朱伯芳，基礎梁的溫度應力，力學，1979，3：200-205。
7  朱伯芳，軟基上船塢與水閘的溫度應力，水利學報，1980，6：23-33。
8  朱伯芳，黎展眉，雙曲拱壩的優(yōu)化，水利學報，1981，2：11-21。
9  朱伯芳，混凝土結(jié)構(gòu)徐變應力分析的隱式解法，水利學報，1983，5：40-46。
10  朱伯芳，黎展眉，張璧城，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計原理與應用，水利電力出版社，1984.
11  朱伯芳，論拱壩的溫度荷載，水力發(fā)電，1984，2：23-29。
12  朱伯芳，庫水溫度估算，水利學報，1985，2：12-21。
13  朱伯芳，不穩(wěn)定溫度場有限元分區(qū)異步長解法，水利學報，1985，8：46-52。
14  朱伯芳，大體積混凝土表面保溫能力計算，水利學報，1987，2：18-26。
15  朱伯芳，考慮水管冷卻效果的混凝土等效熱傳導方程，水利學報，1991，3：28-34。
16  朱伯芳，碾壓混凝土拱壩的溫度控制與接縫設計，水力發(fā)電，1992，9：11-17。
17  Zhu Bofang, Jia Jinsheng, Rao Bin and Li Yisheng, Shape optimization of arch dams for static and dynamic loads. Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.118,No.11, Nov. 1992, pp.2996-3015.
18  朱伯芳，多層混凝土結(jié)構(gòu)仿真應力分析的并層算法，水力發(fā)電學報，1994，3：21-30。
19  朱伯芳，許平，碾壓混凝土重力壩的溫度應力與溫度控制，水利水電技術(shù)，1996，4：18-25。
20  朱伯芳，有限單元法原理及應用（第二版），中國水利水電出版社，1998.
21  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，水利水電技術(shù)，1998，10：14-18。
22  朱伯芳，大體積混凝土溫度應力與溫度控制，北京：中國電力出版社，1999.
23  朱伯芳，關于我國防洪問題的一些思考，科技導報，1999，4：53-54。
24  朱伯芳，論微膨脹混凝土筑壩技術(shù)，水力發(fā)電學報，2000，3：1-12。
25  朱伯芳，拱壩應力控制標準研究，水力發(fā)電，2000，12。
26  朱伯芳，高季章，陳祖煜，厲易生，拱壩設計與研究，北京：中國水利水電出版社，2002.
27  朱伯芳，微膨脹混凝土自生體積變形的增量型計算模型，水力發(fā)電，2003,2。
28  朱伯芳，混凝土絕熱溫升的新計算模型與反分析，水力發(fā)電，2003,4。
29  朱伯芳，解決重力壩加高時溫度應力的新思路和新技術(shù)，水力發(fā)電，2003,11。
30  朱伯芳，許平，加強混凝土壩面保護，盡快結(jié)束“無壩不裂”歷史，水力發(fā)電，2004, 3。
31  朱伯芳，論壩工混凝土標號與強度等級，水利水電技術(shù)，2005，8。
32  朱伯芳，張國新，楊衛(wèi)中，楊波，許平，應用氧化鎂混凝土筑壩的兩種指導思想和兩種實踐結(jié)果，水利水電技術(shù)，2005，6。
33  朱伯芳，論混凝土壩的抗裂安全系數(shù)，水利水電技術(shù)，2005，7。