朱伯芳

朱伯芳
（1928— ）


朱伯芳，著名水工结构和固体力学专家，中国工程院院士。我国混凝土温度徐变应力、拱坝优化及混凝土坝仿真的创建者和奠基人。提出非均质弹性徐变体两个基本定理及有限元徐变应力隐式解法。提出了库水温度、温度荷载及重力坝、拱坝、船坞、水闸、浇筑块等一系列水工结构温度徐变应力计算方法，建立了混凝土温度应力和温度控制较完整的理论体系，提出了结束“无坝不裂”历史的策略和技术，并已在部分工程实现。提出了拱坝优化数学模型和求解方法，用优化方法设计的拱坝已建成170余座，可节约10%~30%。提出了混凝土坝仿真的一整套计算方法。提出的各种计算方法和设计准则获广泛应用，纳入我国重力坝、拱坝等设计规范的即有14种。

朱伯芳1928年10月17日出生于江西省余江县马岗下朱村的一个书香之家。其祖父朱际春老先生系前清秀才，一生以教书为业；其父朱祖明先生，毕业于北平大学电机系，一生从事技术和教学工作。朱伯芳从小学到中学，正值抗日战争时期，生活与求学之路，颠沛流离，历尽坎坷。敌寇入侵，国运危殆，激励着他勤奋学习，各科成绩一直名列前茅。

解放前江西余江极少工业，当地比较现代化的设施只有一条浙赣铁路。朱伯芳中学时代的人生目标，就是希望做一名铁路工程师， 1948年从南昌一中高中毕业后，以第一名的成绩考取上海交通大学土木系。进入上海交大后，因为经济拮据，只好半工半读，一边读书，一边做家庭教师。大学生活开阔了眼界，他立志都市规划建设，大学三年级选择了市政工程专业。然而，一场天灾改变了他的命运。1950年淮河发生了历史上罕见的洪水，国家成立了治淮委员会，并决定华东、中南两个大区所有大学土木、水利系的四年级学生，中断学习参加治淮工程。朱伯芳被分配到了安徽，参加佛子岭水库连拱坝的设计。国家原定这批学生一年后回校继续完成学业，但一年期满后，大坝的设计工作尚未完成，由于工作需要，他提前毕业，留在了治淮委员会。从此，他彻底放弃了都市建设的梦想，结束了求学生涯，开始了为之奋斗一生的水利事业。
在淮河，朱伯芳参加了我国第一批建造的佛子岭、梅山、响洪甸三个混凝土坝的设计。为我国从无到有掌握现代混凝土坝设计技术作出了贡献，并有所创新。

1956年，党中央提出向科学进军的方针，中央各部门均成立科研院所。水利部在北京成立了水利水电科学研究院，朱伯芳于1957年调至该院从事混凝土高坝的研究工作后，在我国开辟了混凝土温度应力和混凝土徐变两个新的研究领域，建立了完整的计算分析和理论体系，取得了一系列国际领先水平的成果，已在国家经济建设中广泛应用。“文革”期间，水科院被撤消，朱伯芳被下放至河南三门峡工地，在十分艰难的条件下，他仍夜以继日地工作着，在有限元及温度应力等方面取得了丰硕成果。1978年他回到重建的水科院后，积极从事拱坝优化、有限元仿真及温度应力等方面的研究工作，取得大量高水平成果。

朱伯芳获得的主要奖励有：1956年，安徽省先进工作者；1982年，以“水工混凝土结构温度应力研究”获国家自然科学三等奖（第一获奖者）；1984年，获首批国家级有突出贡献科技专家称号；1988年，以“拱坝优化方法、程序与应用”获国家科技进步二等奖（第一获奖者）；2000年，以“混凝土高坝全过程仿真分析及温度应力研究”获国家科技进步二等奖（第一获奖者）。

朱伯芳1995年当选为中国工程院院士。曾先后当选为第八、九届全国政协委员。现任中国水利水电科学研究院科学技术委员会副主任、水利部和国务院南水北调办公室科学技术委员会委员、中国水力发电工程学会常务理事，小湾拱坝等多个大型水利水电工程和设计院的顾问。曾任中国土木工程学会常务理事、国际土木与结构工程计算机应用学会理事、中国土木工程计算机应用学会理事长、国务院学位委员会学科评议组成员。


现代混凝土坝设计技术的优秀实践者

1949年以前，我国只有一座日本人建造的丰满混凝土重力坝，没有自行设计的混凝土高坝，中国在混凝土坝的设计和施工方面是一片空白。1951年至1956年，朱伯芳参加了我国第一批三座混凝土高坝——佛子岭连拱坝、梅山连拱坝、响洪甸拱坝的设计，并担任响洪甸坝工组长。佛子岭是我国自行设计建造的第一座混凝土高坝，梅山是当时世界上最高的连拱坝，响洪甸是我国第一座混凝土拱坝。在汪胡桢、曹楚生的领导下，朱伯芳与裘允执、周允明、薛兆炜等一起，通过这三座大坝的建设，掌握了现代混凝土高坝的一整套设计技术，并有所创新。

早在1952年，朱伯芳就针对当时国外坝工建设中，全坝均采用统一混凝土标号的做法，提出了根据不同应力水平，在坝体不同部位采用不同的混凝土标号的理念，运用于工程中后，节省了大量资金。此种做法如今已成为大坝设计中的常规理念；1953年，朱伯芳提出变厚度支墩坝应力的弹性力学解法；1955年，朱伯芳提出了有热源水管冷却解法及浇筑层水化热温升理论解，该成果早在20世纪50年代末即已享誉国内外。如前苏联1959年编制的三门峡重力坝设计书中即有以下记载：“本坝冷却水管的计算，采用了中国朱伯芳方法……”。

1956年，由于在设计工作中的突出成就，朱伯芳当选为安徽省先进工作者。

混凝土温度应力的开拓者、结束“无坝不裂”历史的关键技术

温度应力是水工混凝土结构设计和施工的一个关键问题。朱伯芳以他敏锐的洞察力，早在1955即在国内首先开辟了混凝土温度应力和温度控制的研究领域，并凭借他多年的工程设计实践和深厚的理论功底，阐明了混凝土温度应力的基本规律，建立了完整的计算分析和理论体系，提出了混凝土浇筑块、基础梁、船坞、水闸、重力坝、拱坝、孔口、库水温度、寒潮、水管冷却等一系列温度应力研究成果和计算方法，广泛应用于实际工程，其中11项成果已经纳入国家重力坝、拱坝、船坞、水工荷载、水工混凝土结构等设计规范。

以他本人成果为核心的《水工混凝土结构的温度应力与温度控制》一书（75万字），是大体积混凝土方面的重要著作，在水工混凝土结构设计和施工中发挥了重要作用，并获得国内外高度重视和广泛好评，1991年，日本建设省已将全书译成日文。1982年，他以“水工混凝土结构温度应力研究”，获得国家自然科学三等奖。此后，他又继续在温度应力和温度控制方面积极研究，发表技术论文30余篇，对通仓浇筑常态混凝土重力坝、碾压混凝土重力坝、碾压混凝土拱坝的温度应力和温度控制进行了系统研究，于1999年出版了专著《大体积混凝土温度应力与温度控制》（115万字）。

国内外混凝土坝“无坝不裂”是长期困扰水工界的一个世界性难题，朱伯芳对此进行了长期的系统研究。他先后提出了加强混凝土施工质量控制、优化材料抗裂性能、适当提高抗裂安全系数、严格控制基础温差和内外温差等指导思想，特别着重批判了广为流行的混凝土龄期28d后无需表面保护的片面观点，强调多数情况下应进行全年保温。在他指导下进行温控设计的江口拱坝和三江河拱坝，由于温控措施得当，竣工数年未出现裂缝。三峡二期工程开始前，他建议加强表面保护，采用上游面5cm、下游面3cm泡沫塑料长期保温，当时未被工程采纳，施工后产生了较多的裂缝。三峡三期工程采纳了他的意见，施工三年来，未出现一条裂缝。全世界 “无坝不裂” 的历史可望结束。

朱伯芳对温度应力和温度控制研究的成果，主要包括以下几方面：（1）冷却水管计算方法：有热源，非金属水管，等效热传导方程；（2）浇筑块温度应力：应力影响线，应力与块长的关系，相邻坝块高差；（3）重力坝温度应力：劈头裂缝，无应力条件，坝体加高新方法；（4）库水温度及拱坝温度荷载；（5）碾压混凝土拱坝温度荷载与接缝设计方法，碾压混凝土重力坝温度应力特点和同时考虑降温、自重和水压的算法；（6）船坞和水闸的温度应力；（7）基础梁温度应力；（8）寒潮应力；（9）氧化镁混凝土筑坝的基本理论；（10）结束“无坝不裂”历史的指导思想和工程措施及在江口拱坝、三江河拱坝和三峡工程中的实现。


混凝土徐变力学的深化与实用化

实际工程中的结构绝大多数为非均质结构，其徐变影响问题，过去一直没有解决。朱伯芳首先给出比例变形条件，然后提出并证明了非均质弹性徐变体的两个基本定理，解决了非均质结构的徐变影响问题：当结构符合比例变形条件时，在外力的作用下，徐变不影响应力，只影响变位。在温度的作用下，徐变不影响变位，只影响应力，而且可用松弛系数法计算；如果结构不符合比例变形条件，则徐变对应力和变位都有影响，而且不能采用松弛系数法计算。他提出的混凝土弹性徐变体有限元的隐式解法、子结构法和简谐徐变应力分析的等效模量法，使计算精度和计算效率得到很大提高，获得广泛应用。他还提出了混凝土弹性模量、徐变度、应力松弛系数等计算公式，均为我国新编水工混凝土结构规范所采用。

此外，1960年，朱伯芳提出计算岩基内地下结构山岩压力的新的思路和方法，即考虑岩体蠕变和地应力计算山岩压力的方法，比国外同类计算方法早提出4年，可惜该论文在1960年三峡科研会议上交流后，收入水科院论文集，而正值“三年困难时期”，论文被拖至1965年才正式出版，正式发表时间反而比国外的成果晚了一年。目前该方法已成为工程设计界广泛接受的计算方法。

在对大坝混凝土应力分析的过程中，施工过程对坝体应力有重要影响。混凝土大坝是分层施工的，高坝的施工分层可达数百层之多，各层的材料性质不同，并随时间不断变化。这种特点，使得仿真分析计算十分困难。对此，朱伯芳提出了并层算法和分区异步长算法，解决了这一关键问题。

朱伯芳的一系列研究成果，使我国在混凝土徐变温度应力分析方面的研究工作，处于世界领先水平。


研究推广有限元法，开辟混凝土坝仿真分析的研究领域

“十年动乱”期间，朱伯芳被下放至河南省三门峡市郊的水利工地。逆境中他并没有沉沦，从1972年开始，他联合宋敬廷，把当时国外刚刚兴起的有限单元法引进到国内。朱伯芳的主要贡献有：

（1）与宋敬廷合作，编制我国第一个不稳定温度场程序，第一个混凝土温度徐变应力程序（1972年），第一个弹性厚壳程序等5个有限元程序，并应用于大量工程计算；（2）徐变应力的隐式解法；（3）中国第一个混凝土坝仿真计算（1972年，三门峡底孔坝段）；（4）提出了混凝土高坝仿真的一整套高效率、高精度的计算方法，包括并层算法、分区异步长算法、并层坝块接缝单元、水管冷却等效热传导方程等；（5）撰写出版《有限单元法原理及应用》一书，为设计、科研、工程、教学发挥了积极的作用。

随着时代的发展，有限元方法的推广和计算机技术的逐步普及，随之而来的是混凝土坝仿真分析研究的实用性及可行性增强，适用范围进一步扩大，成果水平日益提高，从而为21世纪水利工程的设计和施工起到了关键性作用。目前，我国的高混凝土坝温度应力及温度控制仿真分析水平，在世界上处于领先地位。已经用这套方法，对国内数十座大中型水电站进行了温度应力及温度控制仿真分析，所得成果，被广泛应用于设计和施工。

2000年，他以“混凝土高坝全过程仿真分析及温度应力研究”，获国家科技进步二等奖。

拱坝优化改变了拱坝设计的传统面貌

中国兴建的拱坝很多，约占全世界的一半。拱坝的体形设计比较复杂，且难度较大。过去主要依靠设计人员的经验和反复试算，设计一个拱坝体形，往往需要几个月甚至半年以上时间，效率低，又不经济。

从1976年开始，朱伯芳即探索用最优化方法来进行拱坝体形设计。由于问题很复杂，当时很多专家对此能否成功持怀疑态度。经过认真研究，朱伯芳比较满意地解决了此问题，用优化方法设计拱坝体形，只需3~5天时间，研究成果已获得广泛应用，所建立的拱坝优化模型已应用于100多个工程，包括世界第一流拱坝的设计，使得工作效率大大提高，一般可以节省投资10%~25%，效益显著。用该方法优化设计的瑞洋拱坝，是世界上第一座用优化方法设计的拱坝，节约投资30.6％，已竣工十多年，运行良好，被评为优秀工程。1988年，“拱坝优化方法、程序与应用”获得国家科技进步二等奖，并被列为全国重点推广的科技成果。课题组研制的拱坝优化软件，已向推向国外市场。

拱坝优化问题的难度较大，国外至今仍停留在研究阶段，未能实用化。而朱伯芳的最大贡献，是将拱坝优化完全实用化。他在该领域的主要研究成果是：（1）建立了合理而实用的优化数学模型，充分考虑了实际施工的各项因素，使优化结果既经济又切实可行；（2）提出了一整套高效的优化解法——如内力展开法，比目前国外的方法快8~10倍；（3）提出了拱坝动力优化方法，可在优化中考虑地震荷载；（4）已优化设计100余座拱坝，节约了巨额投资。如世界上第一座用优化方法设计的拱坝——瑞洋拱坝，节约投资达30.6％；（5）主持编制的大型拱坝应力分析和优化程序ADASO，可广泛应用于各种类型的拱坝；（6）改进了拱坝应力控制标准；（7）提出有限元等效应力法及相应控制标准，已被拱坝新设计规范采用。


为工程献计献策，为国家谏言把关

作为国内一流的水利工程专家，从上世纪50年代末开始，朱伯芳就经常参加国内一系列大型水利水电工程的评审和咨询工作。他以一个科学家的真诚与执着,为工程献计献策，为国家谏言把关。

在三峡工程大坝采用碾压混凝土坝还是常态混凝土坝的问题上，朱伯芳以他多年积累的对水工混凝土的认知，本着实事求是、对工程负责的原则，力排众议，坚持提出了自己的建议：认为就三峡的具体条件而言，不适于采取碾压混凝土的浇筑方式。他的意见最终被工程采纳，实践结果证明，他的意见是正确的。

在混凝土坝的设计和施工中，如何正确地决定混凝土的强度指标，是一个十分重要的问题。1997年发布的《水工混凝土结构设计规范》DL/T5057和电力行业《混凝土重力坝设计规范》都停止使用混凝土标号，改用混凝土强度等级。朱伯芳认为，混凝土强度等级用于工业民用建筑是合适的，而用于大坝是不合适的。正在编制中的水利行业《混凝土重力坝设计规范》和电力行业《混凝土拱坝设计规范》，原稿本拟改用混凝土强度等级，经朱伯芳提出建议后，已决定不采用混凝土强度等级，继续沿用混凝土标号。这一决定对我国今后的混凝土坝设计和施工将产生重要的影响。

另外，朱伯芳对特高拱坝安全系数的建议，已被目前建设中世界最高的小湾拱坝采纳。朱伯芳还以他强烈的社会责任感，积极参与到各项社会活动之中，对我国目前关于防洪、退田还湖、封山育林、科技体制改革等涉及到的问题，在各个不同的场合，积极谏言，参政议政。


善于学习 勤于思考 源于实践 勇于创新

两院院士中的绝大多数人，都是从国外留学归来，或在国内取得博士、硕士学位，而朱伯芳只读了三年大学，严格说来大学都未毕业，用他自己的话来说，之所以能够作出一些成绩，主要靠三条：（1）重视工程实践；（2）勤奋；（3）勇于进取。

朱伯芳思维敏捷，才智过人，工作勤奋。他1951年从上海交大提前毕业参加治淮，大学3年中，数学只学过内容很浅的微积分和常微分方程，力学只学过材料力学和结构力学，连水工结构和弹性力学都没有学过。参加工作后，一直忙于工作，从未得到过进修机会，但他几十年如一日坚持“白天好好工作，晚上好好学习”的信条，在繁重的设计和科研工作之余，利用业余时间，争分夺秒地系统学习与工作有关的基本理论与科技文献。刚参加工作初期，身处大别山腹地，非常闭赛，没有书店，没有图书馆，想买书都买不到。朱伯芳就利用同事出差、探亲到大城市的机会，开出长长的书单，托他们代为买书。工夫不负苦心人，勤奋学习的结果，使得他在迅速积累工作经验的同时，急剧提高了自己的理论水平。早在1953年，他就用弹性力学求出了变厚度支墩坝应力的理论解，在1955年，用拉普拉斯变换、贝塞尔函数和积分方程给出了有热源水管冷却和浇筑层水化热温升的理论解。这些在50年后的今天仍不断被人们引用的高水平的成果，表明他当时不但掌握了现代坝工设计技术，还具备了精湛的理论水平。

文革10年下放三门峡工地，既没有科研设备，科研任务也很少，全家人住在土坯砌筑的简易工棚中，连炊饭用煤都要自己拉板车到几十里外的三门峡市去购买。生活上的艰苦和工作上的无事可干，使得不少善良的人们逐渐消沉下去。然而朱伯芳不顾客观条件的艰难，选择了自强不息的道路。10年里，在大山深处最简陋的土坯房中，夜以继日地研究着当时世界最先进的有限元和拱坝优化，主编了5个有限元程序，出版了两本专著，发表了20多篇论文，为一系列水利工程提供了大量研究成果。他的一系列著作，在几十年后的今天，仍被大量应用。如今朱伯芳已是年逾古稀的老人，仍孜孜不倦，坚持学习，思维仍十分锐利清晰，始终引领本专业方向。以至于他周围的许多年轻人，都感叹跟上他的思维节奏不是一件容易的事情。

难能可贵的是，与纯粹的理论家和单纯的实践家不同，朱伯芳集两者为一身，将水工混凝土结构的理论和实际完美的结合在一起，造就出我国杰出的水利工程和固体力学专家。他的个人经历，涉及设计、施工、科研各个领域。从朱伯芳身上，我们看到了科学家兼工程师的许多优良品质。他不断开拓新的研究领域，始终站在科学研究的第一线。为了摸清生产中存在的问题，他几乎跑遍了国内所有混凝土坝工地；面对现代科学技术的飞速发展，他广泛涉猎周围学科，跟踪国际新技术的发展趋势；他紧密联系实际，勇于开拓，不断为我国水利工程的设计、科研和施工提供一系列开拓性的成果。

朱伯芳个性刚毅，脾气耿直，性情直爽。由于这种性格，他身处逆境不气馁，在十年动乱人生境遇最困难的时期，仍自强不息，积极研究有限元方法、拱坝优化及混凝土筑坝技术的关键问题，奠定了日后事业的辉煌；也还是由于这种性格，他能抓住关键、独立思考、坚持原则、不随大流，在许多重大问题上提出自己独到的见解。

朱伯芳热情关怀年轻人的培养与成长，循循善诱，不遗余力。他担任20多年研究生导师，培养出一批博士、硕士，如今都是各自岗位的骨干力量。他开创的混凝土温度应力、混凝土徐变和拱坝优化三个研究领域，造就了许多专业人才。他关心周围同事的成长，严格要求身边的每一个人。朱伯芳经常告诫他的学生们，要“勤于工作，勤于学习，勤于思考。”要求学生做到的，他自己首先做到。他对工作抓得很紧，分秒必争，全身心投入。他的工作效率极高，虽年逾古稀，仍主持着国家重点科研项目，每年在国内外刊物上发表5~6篇论文。所有文章的中英文都是他亲自撰写，其中的计算方法和公式大都是他亲手推导。

朱伯芳常对年轻人说：“对于一个科技工作者来说，勤于工作，勤于学习是必要的，但光有这两条还不够，还要勤于思考。” “生活中不乏这样的人，工作和学习都很勤奋，读了不少书，看了不少文献，搞了多年的研究工作，但好的科研成果不多，为什么？一个重要的原因是思考不够。”他是一个勤于思考的人，对于自己的研究课题，他常常提出比较高的目标，然后反复琢磨；对于一个问题，他经常是把各种影响因素找出来，梳理排序，并在研究工作中从不同角度反复思考、探究。他非常重视对中间成果的检查分析，以便从中发现问题。朱伯芳把他的毕生精力和智慧，都奉献给了中国的水利水电事业，硕果累累，从而得到人们的尊敬和推崇。