朱伯芳：设计首批三高坝建立四个新学科毕生勤奋报效祖国

　　摘要  1948年以第一名考取交通大学土木系，1951年提前毕业，参加我国首批三高坝设计，首创大坝混凝土标号分区技术，节省大量水泥。1957年调至中国水利研究院，建立混凝土坝温度应力理论体系，解决了大坝裂缝这个世界难题。建立了拱坝优化理论体系，可节省坝体混凝土10%-30%，为国家节省投资二十余亿元。建立了混凝土坝仿真分析方法，大幅度提高了混凝土坝应力分析水平。建立了混凝土坝数值监控方法，使大坝安全监控上了一个新平台。正式发表论文255篇，著书10本。其中“大体积混凝土温度应力与温度控制”及“有限单元法原理与应用”分别被评为我国建筑专业和水利水电专业被引用最多的十书之一。为我国水利水电系统科技成果最多，成果被读者引用最多的专家，先后获得国际和国际五项大奖，

　　关键词：混凝土坝设计，混凝土坝标号分区，温度应力，拱坝体形优化，混凝土坝仿真计算，混凝土坝数值监控。

　　(一)青少年时期

　　1928年10月17日出生于江西省余江县马岗乡下朱村，曾祖父为农民，祖父朱际春，清朝秀才，毕生以教私塾为业，家境清贫。父亲朱祖明，毕业于国立北平大学电机系，先后在江西省公路局、余江县立中学、江西省立农业专科学校、南昌大学和武汉水电学院任教。1958年去世。

　　笔者年幼在祖父私塾诵读四书，其后在余江县立小学、中学、省里南昌一中就读。

　　从初二开始比较注意读书，各科成绩都名列全班第一，1948年9月以第一名考取国立交通大学土木工程系。

　　南昌一中校长吴自强，曾说：“我在一中十几年，朱伯芳是我的最好的学生”这当然是过誉了。

　　(二)设计中国首批三高坝，首创大坝混凝土标号分区技术

　　1951年9月，以交大土木系学生身份到治淮委员会实习，分配到佛子岭水库技术室设计组参加中国第一座混凝土高坝佛子岭连拱坝设计，1952年9月转正，定为12级技术员，1954年9月提升一级。1956年破格连升三级为8级工程师。1953年评为治淮功臣，1954年评为安徽省优秀团员，1956年评为安徽省先进生产者，治淮期间一直担任团支部书记，社会工作也较努力。

　　（2.1）中国第一坝佛子岭连拱坝的建设

　　万事开头难，白手起家，建设中国第一座混凝土坝，困难可想而知。

　　当时担任坝体设计的有曹楚生、蒋富生、薛兆炜和笔者，我们都是来自土木系的，没有学过水工结构，手头也没有连拱坝设计资料，工作中困难不少。当时燃料工业部水电总局有一套美国垦务局的技术备忘录（Technical Memorandom）,约五六百份，其中有连拱坝设计方法。 1952年笔者拿着水利部的介绍信去水电总局借阅，总局副局长张铁铮竟说这是美国资料，有毒的，不能给你看。因此佛子岭连拱坝的设计和计算方法是我们自己搞出来的。主要是曹楚生和笔者搞出来的。1952年开工，1955年就建成蓄水，速度较快，质量很好，至今运行61年，一切正常。

　　在佛子岭连拱坝设计中，笔者还有两项重要创新，即大坝混凝土标号分区技术和变厚度支墩的弹性力学理论解。

　　我们白手起家，短短数年就设计建成了中国第一座混凝土高坝，证实了中国一句俗话：“世上无难事，只怕有心人”。

　　（2.2）世界最高梅山连拱坝设计

　　1954年4月笔者调至梅山水库指挥部工程技术科担任当时世界最高连拱坝-----梅山坝的设计。

　　笔者不但长于力学分析，而且工作比较细心，对工程中的问题分析得比较细致。梅山连拱坝基岩很好，但右岸有一大冲沟，冲沟旁边的基岩暴露在空气中，基岩内部裂缝发育，水库建成后，库水可能渗入基岩裂缝，引起基岩大变形，因而笔者建议把冲沟旁边暴露的基岩用混凝土包起来，防止库水渗入。但因这个方案施工比较费事，未被采纳。大坝建成蓄水后，库水果然渗入了右岸基岩节理，引起坝体大变位，被迫放空水库进行修复，讨论修复过程中，专家们说，如果当初采用了朱伯芳的设计方案，就不至于出事故了。

　　（2.3）中国第一座拱坝响洪甸拱坝的设计

　　笔者于1955年5、6月左右调至蚌埠淮委会设计院担任响洪甸设计组长。

　　响洪甸拱坝是我国建设的第一座拱坝，设计和施工都是成功的，大坝竣工三十年之后，笔者曾到该坝参观，下到坝底廊道中，廊道内的排水沟都是干的，说明大坝质量良好，滴水不漏。混凝土坝廊道排水沟通常都是有水流动的，也属正常现象，响洪甸拱坝滴水不漏，说明其质量非常好。

　　(三)建立混凝土坝温度应力完整理论体系，在世界上首次解决了混凝土裂缝问题。

　　经汪胡桢院士推荐，笔者1957年调到北京中国水利水电科学研究院，从事混凝土高坝研究。

　　当时承担的科研任务很多，工作十分忙碌，每天工作都在12小时左右。

　　当年全世界的混凝土坝实际上是“无坝不裂”，如何解决大坝裂缝是一个世界性难题。经过多年的努力，笔者解决了这个难题，取得了消灭大坝裂缝的重大胜利，但付出的劳动也是巨大的。

　　我们在混凝土温度应力方面进行了以下工作：

　　（3.1）建立了混凝土坝温度应力的精细计算方法和软件。

　　笔者首次把有限元法引入混凝土坝的温度应力，与宋敬廷合作，建立了基于有限元法的混凝土坝温度徐变应力精细计算方法和软件，可以考虑气候条件、施工进度、温控方法和材料特性，计算混凝土坝从施工到运行各时期的应力，如果发现拉应力超过允许应力，可以采取措施把过大的拉应力降下来，从而避免了裂缝。

　　（3.2）提出“全面温控长期保温”的正确理念。

　　在混凝土坝施工过程中，往往来一次寒潮就会出现一批裂缝，施工人员在大坝的顶面工作，当然最容易发现这些裂缝，因而当年流行一种看法：裂缝出现在龄期28天以内，28天后无需保温。这种看法当然是错误的。实际上温度应力最大、最容易出现裂缝的时间是当年和次年冬季遇到寒潮时，因而笔者提出“全面温控长期保温”的正确理念，利用泡沫塑料进行表面保温，施工方便，价格低廉，效果很好。

　　（3.3）建立拱坝温度荷载的正确计算方法。

　　1985年以前，拱坝温度荷载采用美国垦务局经验公式计算如下：

　　

　　其中为坝体厚度方向平均温度变化，L为坝体厚度，该式具有以下缺点：（1）没有考虑上下游温差。（2）没有考虑坝址气候条件。

　　笔者提出拱坝温度荷载新的计算公式如下：

　　

　　式中是平均温度的变化，是上下游等效线性温差的变化，这套计算公式已为我国拱坝设计规范采用，应用多年效果良好。

　　（3.4）提出各种水工结构的温度应力计算方法

　　笔者提出了重力坝、支墩坝、船坞、水闸、隧洞、地基梁等各种水工建筑物温度应力计算方法，发表温度应力论文近100篇。

　　（3.5）在国内外首次出版混凝土坝温度应力著作三本：

　　（1）朱伯芳，大体积混凝土温度应力与温度控制（1999年1版，2012年2版）。（2）朱伯芳，王同生等，水工混凝土结构的温度应力与温度控制（1976年））（3）Zhu Bofang（朱伯芳），Thermal Stresses and Temperature Control of Mass Concrete,Elsevier,2014,NewYork.其中第1本书，多次被评为全国建筑专业被引用最多的十书之一。

　　(四)下放三门峡，五个有限元程序一本有限元书，有限元等效应力新理念。

　　1969年水科院被撤销，笔者下放三门峡工程局，先劳动锻炼一年，接着搞了两年三门峡改建工程的研究，1972年后无事可干，就联合宋敬廷同志搞有限元研究，先后编制了五个有限元程序，应用效果相当好。

　　用有限元分析拱坝应力时，由于应力集中，在坝踵往往出现很大拉应力，其数值远远超过了混凝土的抗拉强度，为有限元在坝工技术中的应用构成了障碍，为了解决这个问题，笔者提出有限元等效应力的算法，即按实际情况用有限元算出坝体应力后，在半径方向沿断面积分，求出弯矩、剪力、推力等内力，再用材料力学方法计算应力，即消除了应力集中影响，我们计算了二十多个拱坝，计算结果表明，应力处于可控范围内，但拉应力比拱梁分载法略大一些，经过分析，把允许拉应力从传统拱梁分载法的1.20MPa改为1.50MPa，允许压应力不变，这一建议为我国拱坝设计规范所采纳，从而为有限元法应用于坝工设计，开辟了道路。

　　在三门峡工地，住在土坯砌筑工棚内，上无天花板，下无敌版，遍地老鼠洞，在这样恶劣的条件下，笔者还写了一本“有限单元法原理与应用”专著。据中国科学院信息中心的统计，此书为我国水利水电专业最受欢迎的十书之一。可说是“身居陋室，写成名著”。

　　（五）建立拱坝体形优化方法，可节省10-30%坝体混凝土，已节省投资二十余亿。

　　1978年笔者回到重建的水科院与厉易生、贾金生、饶斌、杨波等合作，建立了拱坝体形优化方法和软件，已应用于小湾、锦屏、溪洛渡等世界最高的拱坝和其他一百多座拱坝，一般可节省坝体混凝土10-30%，已节省投资二十余亿。

　　（六）建立混凝土坝仿真分析方法，提出等效热传导方程。

　　混凝土坝的仿真分析存在一系列困难，过去实际无法计算，笔者克服了这一系列困难，建立了混凝土坝仿真分析方法与软件。

　　首先一个困难是计算中如何考虑水管冷却，水管的半径只有1.0-1.25cm，如果在计算网格中直接考虑水管，管周的单元应该是厘米级的，单元数量异常庞大，一个坝块，约240万个结点，实际上很难计算，为了克服这个困难，笔者提出等效热传导方程如下：

　　

　　水管冷却的影响包含在函数和中，因此采用普通的计算网格就可以考虑水管的影响，无需加密网格。

　　此外笔者还提出了分区异步长算法和并层算法。

　　（七）发展混凝土徐变理论

　　对于非均质结构的徐变问题，笔者提出并证明了两个定理：

　　定理一：如物体符合比例变形条件，即徐变与弹性变形成比例，则在外力作用下，徐变不影响物体的应力，只影响其变形。

　　定理二：如物体符合比例变形条件，在已知边界位移和温度变化作用下，徐变不影响物体变位，只影响物体的应力，并可按松弛系数法计算。

　　如果物体不符合比例变形条件，则徐变对物体的应力和变形都将产生影响，而且边界强迫位移和温度变化引起的应力不能用松弛系数去计算。笔者提出了徐变应力分析的分区异步长隐式解法，大大加快了计算速度。目前已成为混凝土徐变应力分析的基本解法，广泛应用。

　　（八）提出混凝土坝数值监控方法，建立大坝安全监控新平台。

　　仪器观测是重要的，但由于测点太少，仪器观测并不能给出大坝的温度场、应力场和安全系数。

　　笔者首次提出大坝数值监控方法，把仪器监控和数值计算结合起来，在施工初期，利用仪器观测成果对通过室内试验求出的混凝土力学和热学参数进行校正，使它们更符合实际情况。然后利用校正后的混凝土力学和热学参数，从基础开挖开始，按照实际的气候条件、施工进度、温控措施，用数值方法计算大坝的温度场、应力场和安全系数，如发现安全系数偏低，可及时采取措施补救。大坝安全监控水平得到大幅度提高，混凝土坝数值监控使大坝安全监控建立在一个新的平台上。

　　（九）勤奋务实，锐意创新，建立四个新学科，著书10本，发表论文255篇，获五项大奖。

　　笔者只读了三年大学，学历偏低，但有幸参加了我国水利水电建设全过程，亲自参加了我国首批三座高坝的设计和几十座大型水电工程的科学研究和工程咨询，首创大坝混凝土标号分区技术，创立混凝土坝温度应力、拱坝优化、混凝土坝仿真和混凝土坝数值监控等四个新学科，著书10本，正式发表论文255篇，据中国科学院信息中心统计资料，笔者为我国水利水电界论文被引用最多的专家，所著“大体积混凝土温度应力与温度控制”和“有限单元法原理与应用”分别为我国建筑专业和水电专业被引用最多的十书之一。曾任电力部和国家电力公司科技委员会委员、第8届、9届全国政协委员，1995年当选为中国工程院院士，曾获得国家自然科学奖1项，国家科技进步奖2项，国家级有突出贡献科技专家称号和国际大坝会议终身成就奖及荣誉会员称号。