朱伯芳院士：一片丹心图报国

■朱

朱(1928年10月-)

朱系江西省余江县人，中国工程院院士，水工结构与固体力学专家。1951年毕业于上海交通大学土木系，曾是国家南水北调专家委员会委员、水利部科技委员会委员、水利科学研究院科技委员会副主任、小湾、龙潭、白鹤滩等世界最高混凝土坝顾问团成员。他是第八届和第九届CPPCC全国委员会委员，中国土木工程学会和中国水力发电协会执行理事，中国土木工程计算机应用协会理事，国际土木工程计算机应用协会理事。世界上首次建立了混凝土坝温度应力、拱坝优化、混凝土坝模拟和混凝土坝数字监控四个新学科。他作为第一作者发表论文246篇，著作10部，获得国家科技进步奖3项，省部级科技进步奖9项。2007年，他被国际水坝会议授予终身成就奖和荣誉会员称号。

青春期

1928年10月17日，我出生在江西省余江县马岗县朱村。我的曾祖父是个农民，我的祖父朱是个清朝的学者。我一生致力于私立学校的教学，我的家庭很穷。父亲朱祖明，毕业于国立北平大学电机工程系，先后在江西省公路局、余江县中学、江西省农学院、南昌大学、武汉水电学院任教，1958年逝世。

当我年轻的时候，我在我祖父的私立学校读了四本书。后来，我在余江县小学、中学和南昌第一中学学习。

从初中的第二天起，我开始更加注重阅读。我在班上所有科目中排名第一。1948年9月，我第一次来到国立交通大学土木工程系。

南昌第一中学校长曾说:“我在南昌第一中学学习了十多年，朱是我最好的学生。”这当然是奉承。

设计了中国第一批三座高坝，开创了大坝混凝土标号分区技术。

1951年9月，作为交通大学穆图系的学生，我去淮河管理委员会实习。我被分配到佛子岭水库技术办公室的设计团队，参与了中国第一座混凝土高坝——佛子岭连拱坝的设计。1952年9月，我成为一名全职技术员，被分配到12年级。1954年9月，我被提升到一年级。1956年，他被提升为三级工程师。1953年被授予淮河治理英雄称号，1954年被授予安徽省优秀团员称号，1956年被授予安徽省先进生产者称号。在淮河管理期间，他担任团支部书记，努力从事社会工作。

要从零开始建造中国第一座混凝土大坝是很困难的。很难想象。

当时，曹楚生、江、、薛兆伟和我是坝体的设计者。我们都来自土木系统，对水工结构一无所知，也没有连拱坝的设计数据，这使得我们的工作非常困难。当时，燃料工业部水电总局有一套美国填海局的技术备忘录，约500至600份，包括双拱坝的设计方法。1952年，我从水利部拿了一封介绍信，借了水电总局的。总局副局长张出人意料地说:“这是美国的数据。它有毒，不能给你看。”因此，佛子岭连拱坝的设计和计算方法都是我们自己制定的，主要是曹楚生和我。建设始于1952年，蓄水于1955年完成。速度快，质量好。它已经运行了61年，一切正常。

在佛子岭连拱坝的设计中，我有两个重要的创新，即大坝混凝土标号分区技术和加厚扶壁弹性力学理论解。

我们从零开始，在短短几年内设计并建造了中国第一座高混凝土大坝，印证了一句中国谚语:“世上无难事，只怕有心人。”

1954年4月，我被调到梅山水库指挥部工程部，担任当时世界上最高的连拱坝——梅山大坝的设计者。

我不仅擅长机械分析，而且在工作中也更细心，更仔细地分析工程中的问题。梅山连拱坝的基岩很好，但右岸有一个大的冲沟。沟壑旁边的基岩暴露在空气中。基岩中出现裂缝。水库建成后，水库水可能渗入基岩裂缝，造成基岩大变形。因此，我建议用混凝土包裹冲沟旁边裸露的基岩，以防止水库水渗入。然而，由于其结构复杂，该方案未被采用。大坝建成蓄水后，水库的水确实渗入了右岸的基岩节理，导致坝体大幅度移位，迫使水库放空进行修复。在讨论和修复过程中，专家表示，如果当初采用朱的设计方案，就不会发生事故。

1955年5月和6月，我被调到蚌埠淮委设计院，担任向洪店的设计组长。

响洪甸拱坝是我国建成的第一座拱坝。它的设计和建造是成功的。大坝建成三十年后，我参观了大坝，并去了大坝底部的画廊。廊道中的排水沟是干的，这表明大坝质量好且不漏水。混凝土坝廊道排水沟通常有水流，这也是正常现象。向洪甸拱坝是水密的，这说明它的质量很好。

混凝土坝温度应力完整理论体系的建立，在世界上首次解决了混凝土裂缝问题。

在王虎珍院士的推荐下，我于1957年被调到北京中国水利水电科学研究院研究高混凝土坝。

那时，他承担了许多科学研究任务，非常忙碌，每天工作大约12个小时。

当时，世界上的混凝土大坝实际上是“没有大坝，就没有裂缝”。如何解决大坝裂缝是一个世界性的问题。经过多年的努力，我解决了这个难题，并在消除大坝裂缝方面取得了重大胜利，但我付出的劳动也是巨大的。

我们对混凝土的温度应力做了以下工作:

建立了混凝土坝温度应力的精细计算方法和软件。

首次将有限元方法引入混凝土坝的温度应力。与宋景庭合作，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。它可以通过考虑气候条件、施工进度、温度控制方法和材料特性来计算混凝土坝从施工到运行的应力。如果发现拉应力超过允许应力，可以采取措施降低过大的拉应力，以避免裂缝。

在混凝土坝施工过程中，遇到寒潮时往往会出现裂缝。当然，在大坝顶部工作的施工人员最有可能发现这些裂缝，所以有一种流行的观点认为，裂缝发生在28天以内，28天后不需要隔热。这种观点当然是错误的。事实上，温度应力最大且最有可能出现裂缝的时间是在当年冬季和次年寒潮出现的时候。因此，我提出了“全面温控和长期保温”的正确概念。表面保温采用泡沫塑料，施工方便，价格低廉，效果好。

1985年以前，拱坝温度荷载采用美国垦殖局的经验公式计算如下:

其中为坝体厚度方向的平均温度变化，l为坝体厚度。这个公式有以下缺点:(1)没有考虑上游和下游的温差；(2)未考虑坝址气候条件。

我提出一个新的拱坝温度荷载计算公式如下:

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

我提出了各种计算水工结构热应力的方法，如重力坝、支墩坝、码头、水闸、隧道、基础梁等，并发表了近百篇热应力论文。

(1)朱，大体积混凝土温度应力与温度控制(1999年第1版，2012年第2版)。(2)朱，王，等.水工混凝土结构的温度应力与温度控制(1976)。(3)朱(朱)，大体积混凝土的温度应力与温度控制，爱思唯尔，2014，纽约。其中的第一本书多次被评为全国建筑行业十大被引用书籍之一。

三门峡下游，五个有限元程序，一本有限元书，有限元等效应力新概念

1969年，水科学学院被废除。我委派三门峡工程局工作了一年，然后是两年的三门峡重建项目研究。1972年以后，在无事可做的情况下，我与宋敬亭同志联合进行有限元研究，先后编制了五个有限元程序。应用效果相当好。

用有限元法分析拱坝应力时，由于应力集中，在坝踵处经常出现较大的拉应力，其值远远超过混凝土的抗拉强度，这就构成了有限元法在大坝施工技术中应用的障碍。为了解决这个问题，我提出了有限元等效应力算法，即根据实际情况用有限元计算坝体应力后，沿横截面径向计算弯矩、剪力和推力等内力，然后用材料力学方法计算应力，即消除应力集中的影响。我们已经计算了20多个拱坝。计算结果表明，应力在可控范围内，但拉应力略大于拱梁分载法。经分析，传统拱梁分载法的许用拉应力由1.20兆帕改为1.50兆帕，许用压应力不变。该方案被我国拱坝设计规范采用，从而为有限元法在大坝设计中的应用开辟了道路。

在三门峡工地，我住在土坯砌成的工棚里，上面没有天花板，下面没有地板，到处都是老鼠洞。在如此恶劣的条件下，我还写了一本关于有限元方法的原理和应用的专著。根据中国科学院信息中心的统计，这本书是中国水利水电专业十大热门书籍之一。可以说是“住在窝棚里写杰作”。

建立拱坝体形优化方法可节省坝体混凝土10-30%，节省投资20多亿元。

1978年，我回到重建的水利科学研究所，与李宜生、贾金生、饶斌、柏杨合作，建立了拱坝体形优化的方法和软件。该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100多座其他拱坝。一般情况下，大坝混凝土可节约10%~30%，投资可节约20多亿元。

建立了混凝土坝的仿真分析方法，提出了等效热传导方程。

混凝土坝的模拟分析有一系列的困难，过去无法计算。我克服了这些困难，建立了混凝土坝的仿真分析方法和软件。

首先，一个难点是如何在计算中考虑水管冷却。水管的半径只有1.0厘米~ 1.25厘米。如果在计算网格中直接考虑水管，那么水管周围的单位应该是厘米级的，单位数量非常大。一个大约有240万个节点的坝块实际上很难计算。为了克服这个困难，我提出等效热传导方程如下:

由于水管冷却的影响包含在函数和中，所以水管的影响可以用普通的计算网格来考虑，而不用加密网格。此外，我还提出了分区异步长算法和并行算法。

发展混凝土徐变理论

对于非均匀结构的蠕变问题，我提出并证明了两个定理:

定理1:如果一个物体满足比例变形的条件，即蠕变和弹性变形成比例，那么在外力作用下，蠕变不会影响物体的应力，而只会影响其变形。

定理2:如果物体满足比例变形条件，在已知边界位移和温度变化的作用下，蠕变不会影响物体的位移，只影响物体的应力，并可用松弛系数法计算。

如果物体不满足比例变形的条件，蠕变会影响物体的应力和变形，而边界强迫位移和温度变化引起的应力不能用松弛系数来计算。提出了一种分区异步长隐式蠕变应力分析方法，大大加快了计算速度。目前，它已成为混凝土徐变应力分析的基本解决方案，并得到广泛应用。

提出了混凝土坝的数值监测方法，建立了一个新的大坝安全监测平台。

仪器观测很重要，但由于测点太少，仪器观测不能给出大坝的温度场、应力场和安全系数。

首次提出了仪器监测与数值计算相结合的大坝数值监测方法。在施工初期，利用仪器观测结果对室内试验获得的混凝土力学和热学参数进行修正，使其更符合实际情况。然后，利用修正后的混凝土力学和热学参数，从基础开挖开始，根据实际气候条件、施工进度和温控措施，采用数值方法计算大坝的温度场、应力场和安全系数。如果发现安全系数低，可以及时采取补救措施。大坝安全监测水平有了很大提高。混凝土坝的数值监测为大坝安全监测建立了一个新的平台。

勤奋、务实、创新，建立四个新学科，撰写10本书，发表255篇论文，获五项大奖

我才读了三年大学，学历相对较低，但我有幸参与了我国水利水电建设的全过程。我亲自参与了我国前三座高坝的设计和几十个大型水电项目的科研和工程咨询。我首创了大坝混凝土标注和分区技术，创立了混凝土坝温度应力、拱坝优化、混凝土坝模拟和混凝土坝数值监测四个新学科。我写了10本书，正式发表了255篇论文。根据中国科学院信息中心的统计，我是中国水利水电领域被引用最多的专家。我的著作《大体积混凝土温度应力与温度控制》和《有限元法的原理与应用》分别是中国建筑和水电专业被引用最多的十本书之一。曾任电力部科技委员会委员、国家电力公司委员、第八届和第九届CPPCC国家委员会委员，1995年当选为中国工程院院士。获国家自然科学奖1项、国家科技进步奖2项、有突出贡献的国家科技专家称号、国际大坝大会终身成就奖和荣誉会员称号。

(作者:中国水利水电科学研究院)

①1944年在余江县中学。

②1950年上海交通大学。

我很高兴两个孩子都上了大学。水利部第十一工程局(1978)。

(4)1997年11月8日，在三峡截流仪式的主席台上。

我眼中的朱院士

■胡平

我是一名学习工程力学的1978级大学生。在我大三的时候，我学习了有限元方法。那几年，中国很少有工科院校开设这门课程。教材是朱的《有限元法原理及应用》。朱先生的书从工程问题开始，循序渐进，易于掌握。那时，我觉得作者不同于普通学者，更像一个工程师。这是我对朱先生的第一印象。

加入工作后，他与朱、夫妇在同一研究所工作。在最初的三年里，我和朱彝·宾如夫人一起工作。老艾是一个非常善良热情的知识女性，当我独自来到北京时，她给了我很多关爱。老易在演讲中也经常“抱怨”朱先生:他只知道从早到晚读书，从不做家务。大约在1983年冬天的一个星期天，我在西单商场门口看到一个熟悉的身影。他坐在一个小板凳上，沉浸在阅读一本厚厚的书，并允许自己被拥挤在他周围，假设进入一个空旷的土地的权利。我惊讶地走过去问道:“朱功，这么冷的天你坐在这里干什么？”朱先生透过厚厚的镜片认出了我:“老艾在里面买东西。她总是责怪我没有陪她出去。今天我陪她出去了。她进去买东西，我在外面等她。”这是我对朱先生的第二印象。

1985年，我被调到先生领导的研究室，从事大体积混凝土温度应力和温度控制、混凝土坝模拟计算分析、混凝土坝数字监控等方面的研究工作。与朱老师的热情形成鲜明对比的是，在师父身边的30年里，我感受到了最深的不进不退的压力和动力。朱先生的气场很强。他对自己、他的学生和实验室里的每个人都非常严格，甚至严格到了近乎苛刻的程度。他的“三严”(严、严、严)早已在业内广为流传。朱先生是超前而敏锐的。他总是能够从领先学科前沿的工程问题中提取研究课题。在他旁边工作的学生会非常紧张，工作强度和压力都很大。你必须咬紧牙关，不停地向前走，否则你将跟不上他的步伐。

大约40岁时，我经历了人生的低谷。我曾经非常沮丧，对我的职业生涯没有任何期望。为此，朱老师主动请我谈了几次。他对我说:“当我在1969年*期间到达三门峡时，我也是40出头，正处于人生中最困难的时期。但是在三门峡的十年是我事业真正腾飞的时期。我们可以在如此恶劣的环境条件下做这件事。我相信你能做到。”朱老师希望我能振作起来。他还特别帮助我分析我的学习能力和商业基础，并鼓励我积极向上。只要我通过这个障碍，一切都会好的。朱的鼓励给了我很大的力量和动力去攀登。之后，朱先生在研究方向、具体业务、职称、岗位晋升等方面给了我很多鼓励和帮助。我非常感谢朱先生在我人生的关键时刻给我的忠告。我从未当面感谢过他，但我一直记得。现在他已经将近90岁了，他仍在不断进步。现在每当我遇到困难，我想到朱先生的教诲，不敢懈怠。

自2004年起，科技部、中国工程院、水利部等部门开始提拔老科学家。朱为2005年《中国科学技术专家传》、2009年《20世纪中国著名科学家学术成就调查》和《老科学家学术成长数据收集项目》推荐我为传记作者。三十多年来，我一直在朱先生身边，感受他的生活和学习。他的生活轨迹与他同时代的科学家完全不同。他不是出生在一个大家庭，没有留学经历，没有令人自豪的学历，甚至没有完成大学学业。他之所以能成为今天的朱一定是他独特的一面。几年来，在王先生的成长道路上，理性、严谨、权威的原始形象逐渐被一系列感性、坎坷、渐进的过程所取代。我原以为我很了解朱先生，却发现朱先生有许多方面我们从未发现。他成长的小地方环境和大社会环境磨砺了他独特的个性，为中国的大坝建设做出了巨大贡献。他的性格、志向、思维方式和行为模式的形成受到内部因素和外部因素的影响，有时还包含必然性。他的生长脉络是不可复制的，但可以被后代积极借鉴。意识到这些事情后，我有一种冲动，想写下我的发现和感受，并把它们介绍给每个人，尤其是那些现在渴望做出贡献的年轻人。中国的老一代科学家是我们国家的巨大财富——既是科学财富，也是精神财富。

(作者是中国水利水电科学研究院教授、高级工程师)

《中国科学新闻》(第八版，2016年10月17日)