郑皆连院士:中国是桥梁大国却非桥梁强国,输在了软件上

2020-06-04 22:49网易科技 (章剑锋)

1500公斤和700米,数字看起来不怎么起眼,却是两位科学家试图冲刺的科研目标。

前者,是不断打破亩产纪录的中国工程院院士袁隆平的最新挑战目标——双季稻亩产突破1500公斤。

后者,则是中国工程院院士郑皆连的目标。这个700米,是指拱桥建设的跨径。

世界拱桥看中国,中国拱桥看广西,广西拱桥看郑皆连。

▲图片来源/广西大学

现年79岁的著名路桥工程专家郑皆连,是国际桥梁大会(IBC)最高奖——乔治·理查德森奖获得者。在拱桥建设上,他在近些年实现了三个世界第一:2013年主持修建当时世界上最大跨径的钢管混凝土拱桥四川合江长江一桥,跨径530米。此后又完成了世界上最大跨径的铁路钢管混凝土拱桥拉林铁路雅鲁藏布江藏木特大桥(430米)、目前世界最大跨径拱桥广西平南三桥(575米)的设计建设。

郑皆连告诉网易科技《科学大师》等媒体,国外最大钢拱桥的跨径是美国新河谷桥(518米),而他的团队接下来参与科研攻关的一个项目,将把平南三桥的跨径再往前推进一步,将要开工的广西龙滩天湖特大桥,跨径将达600米,会是世界上跨径最大的拱桥。

中国的拱桥建设,原来都是有支架的,郑皆连的技术创新,使拱桥实现了无支架建设——不打支架,而采用吊装悬拼,斜拉扣挂施工,在空中无支架合拢。这使拱桥的跨径得以不断拉大,实现现代化建设水平。

郑皆连说,“桥梁是中国的一张科技名片,而拱桥恰恰是在桥梁中可能首先从大国变为强国的一个突破口。”

▲获得国际桥梁大会(IBC)最高奖——乔治·理查德森奖的工程:合江长江一桥/图源:四川省交通厅

因为在桥梁工程方面的上述成就,5月30日,郑皆连团队获得了人力资源部、科技部、中国科协和国务院国资委联合颁授的第二届全国创新争先团队奖。在获奖名单中,他们团队是和三代半导体、复兴号动车、水下发射大型固体运载火箭、空间飞行器系统、钟南山团队等并列在一起的。

凭着郑皆连一个人,就撑起了广西壮族自治区唯一的世界一流高校学科建设——2017年,广西大学土木工程专业列入教育部等部委联合公布的世界“双一流”建设高校学科名单。

也是因为他一个人,改变了广西全区4960万人没有一位本地全职院士的历史。1999年,郑皆连当选中国工程院院士,成为全广西唯一一位全职院士。《科学大师》记者注意到,广西全区只有一位全职院士的状况,到今天仍没有变化。

1,虎门大桥属于二级共振,不至于使桥梁坍塌

《科学大师》:桥梁安全方面,虎门大桥不久前发生过风振,您是桥梁专家,怎么看这个事件?

郑皆连:虎门大桥发生风致涡激振动,是风造成的共振。虎门大桥是1997年建成的,20多年都没有发生振动,为什么这次会突然发生振动。初步认为是吊索要更换,用了20多年了,换吊索用了一些隔离措施,叫水马,就是塑料桶里装一些水用来分隔车道的,保护它的换索安全。这个水马高度有一米四、五,这就改变了悬索桥气动外形。在一定风速、风向的作用下,就发生了振动,振幅最大达到了30多cm。当振幅达到相应的级别,就要采取预案,或者停止交通、减少通行量。

事后也对锚、索鞍、吊索都做了检查,包括桥道梁,没有造成损坏,不会危及桥梁的安全,但是使人不舒服,司机在上面开车会感到上下左右都在晃动,心里受到比较大的影响。把水马去掉之后,还发生振动。5月15日通车以后,可能还有些振动,但幅度小了。所以现在还在观测。涡激共振不至于使桥梁坍塌,它不像1940年美国塔科马大桥造成的振动,振幅越来越大,导致桥梁垮塌。

▲虎门大桥/图片来源:央视《航拍中国》

《科学大师》:桥梁在我们普通公众的眼里都是一样的,但是这次我们知道,桥梁分悬索桥、拱桥等种类,这些不同的桥,在安全标准和要求上有差别吗?

郑皆连:无论是哪种桥,安全都是第一的,但是各个桥还是有区别的。你说的悬索桥和斜拉桥都是柔性桥,或者说叫索支撑桥,就是用索来作为主要的受力构件。悬索桥是主缆,斜拉桥是斜拉索,索支撑桥道梁。这类桥属于柔性结构,所以它在风力的作用下发生振动是常见的。

至于拱桥,它属于重力式结构,梁桥的跨径比较小,风对它的影响比较小,不会发生风致振动,这是它的重要的优点。所以如果拱桥能够建成,它的适应性是最好的,刚度也大。

但是我也希望不要给大家造成一种拱桥可以包打天下的印象,每种桥都有它的使用环境,都要根据它的建桥条件来综合判断。比如悬索桥,虽然它有风致振动的问题,但是目前跨径最大的还是悬索桥,在海上,其他桥实现不了那么大的跨径。设计工程师就是要选择一种最适合桥址条件的桥型。

虽然拱桥有很多优点,但是有些地方也不太适合建。比如在软土地上就很难建,上海的卢浦大桥,是在软土地上建,但是花的代价比较大,他比斜拉桥贵。所以也不能说因为虎门大桥这个事发生,就不建悬索桥了,因为风振涡激共振也不止虎门这一个桥,我们国家至少有3个桥发生了比较厉害的涡激共振,西堠门大桥啊,武汉鹦鹉洲长江大桥,国外的也有。

▲武汉鹦鹉洲长江大桥也发生过晃动/图片来源:汉阳政务

2,中国拱桥耐久能扛,寿命长,是瑰宝

《科学大师》:是不是可以理解,拱桥是目前桥梁界最安全的桥型?

郑皆连:中国赵州桥是在1400多年前建立的,这是世界上第一个敞肩拱的石拱桥。至今这个赵州桥还屹立在河上。拱桥为什么寿命如此之长,这是它受力合理的一个结果。我们桥梁有四种桥型:有梁桥,有悬索桥,有斜拉桥,也有拱桥。我说它是受力结构极为合理的一种桥梁,就是它把结构物理自重或者说荷载通过这个弯曲的拱圈,把它转化成了拱圈上的轴向受力,就是把垂直荷载变成拱圈上的轴向受力。如果我们拱轴线选的好的话,它就在小偏心受压。正因为它是以受压为主,所以它就耐久性非常好,因为没有疲劳问题。

如果说赵州桥是不走汽车的,那北京的卢沟桥也800年了,它是走汽车的,跨越永定河,而且它还走过400吨的平板车,它的超载能力非常强。所以我们现在讲古桥,中国的古桥绝大部分指的就是拱桥。因为其他桥,它的耐久性是扛不住各种人为的或自然灾害影响的。

另外,所有受压材料都可以用来建桥 ,我们拱桥有砖的、有石头的、有铁的、也有钢的,这是其他桥不可能具备的。

▲有天下第一桥美称的中国拱桥鼻祖赵州桥/图片来自网络

《科学大师》:从原创性来讲,拱桥是中国原产,悬索桥是国外引进,可以这样讲么?

郑皆连:拱桥是历史非常悠久的一种桥型。敞肩拱式的拱桥,我们老祖宗是第一个做出来的,距今1400多年,大概比欧洲早了500年。这种敞肩拱式,使石拱桥的跨径可以加大。什么是敞肩拱式?原来的拱桥是实腹式的,没有挖孔,所以它的跨径就做不大。而空腹拱,它是把恒载减轻了,所以它跨径才可以做的大。石拱桥30米以上跨径的基本都是空腹拱,这是我们祖宗的一个很大的贡献。我们现代拱桥,围绕着特别是钢管混凝土拱桥、劲性骨架混凝土拱桥,这些主要工法,我们都有它的主要知识产权,都把它用专利保护起来了。

过去大家把拱桥看作是落后的东西,现代化的悬索桥和斜拉桥,斜拉桥是二战以后才有的,德国人发明的。实际上,我们建设的跨径575米的平南三桥,它和斜拉桥和悬索桥比,几乎把所有的优点都占完了,在全国还有好多地方都适合建(据中新网称:平南三桥为目前世界最大跨径的拱桥,其科技含量之高、制造过程之精密、设计施工技术之尖端,均是世界同类型桥梁之最)。拱桥是传统,但实际上蕴含着许多中国哲学。我把它称为中国的一个瑰宝,影响是非常深远的。虽然在这方面我也做了一些科普,但是做得还不够。

《科学大师》:您在拱桥工程方面代表性的科研贡献是实现了无支架建设,这个无支架技术为什么那么重要?

郑皆连:一千多年以来,拱桥都没摆脱一个问题:拱圈施工非常困难,必须搭支架。我大学毕业三年,在工地转了三年,就发现搭支架不行,洪水一来把支架冲跑了。能不能不搭支架,我当时就有这个逆向思维。

现代化的拱桥,跨径要修大,第一步就必须不搭拱架。如果我们还持续搭拱架,跨径再大也大不到哪里去。1968年推广双曲拱桥的时候,我首次提出不用搭支架修拱桥的方法:钢丝绳斜拉扣挂,松索合拢形成拱圈,就是把下面的支撑变为上面的悬吊,包括悬拼,包括转体来建设拱桥。因为有了无支架施工、转体,我们拱桥的跨径就从石拱桥的最大跨径146米,发展到现在是575米,我们想做到700米,但是还没有实现。

▲建设中的平南三桥,以575米的跨径成为目前世界最大跨径的拱桥/图源:广西交通设计集团公司

3,我们不能因为桥梁数量多、跨径大就满足了

《科学大师》:您说到拱桥有可能首先完成大国向强国突破,桥梁方面也存在大国和强国的提法么?

郑皆连:说我们是桥梁大国,因为我们建的桥梁最多,专利也最多,除了悬索桥第一跨径在日本,其他所有大跨径桥都在我们中国,全世界15座超过430米跨径的拱桥,大概有3座在国外,其他12座在中国。1990年开始,30年我们建桥的跨径从110米发展到575米。跨径增长之快,在桥梁史上罕见,数量也发展到近500座。广西正在建跨径600米的拱桥。所以称为大国是毫无疑问的,是大家认可的。

但为什么我们还没有成为强国呢,一个计算软件不是我们的,我们现在用的软件都是国外的,我们自己编的功能还不如国外。第二个就是桥梁的耐久性,我们还有一些短板。为什么这个耐久性可以在拱桥方面得到突破,那是祖师爷李春的赵州桥带了头。我们现在完全可以搞到最好,耐久性最好。当然在软件上我们还要努力,应该组织国家队来攻坚,搞一些比较好的软件出来。

《科学大师》:对于一个国家来讲,成为桥梁强国的意义是什么?为什么必须要成为桥梁强国?

郑皆连:我觉得也是基于我们基建部门的短板而言,我们不能因为桥梁数量多、跨径大就满足了,我们还要不断追求技术的升级或者优化。实际上我觉得,从大国向强国过渡,也是一个过程,是一个前进的过程,激励我们能解决更多问题和难题,对我们发展技术,推进这个事业更上一层楼,是有好处的。

▲施工中的世界第一拱——平南三桥/图源:广西日报

4,桥梁建设危险作业将来可以交给机器人完成

《科学大师》:时代越来越发展,对于我们这个桥梁建设的科技含量会不会要求也越来越高?

郑皆连:当然会越来越高,因为桥梁建设的作业环境比较艰苦,而危险性比较大的。在一般人们的心目中,拱桥就是风险比较大,施工风险比较大,施工比较麻烦,设计比较麻烦。比如我们拱桥高空作业,拱上的那些东西都要人去焊接、连接。如果将来都能由机器人代替,把最危险的作业交给机器人做就更好了,它们还能做得更好。因为它不会受情绪影响。高空作业你如果没睡好觉,都可能从上面掉下来。机器人就没有这些问题。这个也在逐步摸索,还有很大的增长空间。如果以后我们这个大拱上面基本看不到作业工人,那就厉害了。

5,全广西就我一个院士,非常不恰当

《科学大师》:资料上讲您是广西本地唯一的全职院士,您自己怎么看这个“特别”的状况?

郑皆连:我对这个“唯一”就很不满意。5000多万人的广西,相当于欧洲一个比较大的国家了,就我一个院士,非常不恰当。这里面,我认为也有广西相对科技发展慢一点的原因,也反映出院士产生的机制有些问题。不完全说明,广西就是只有这一个院士,才符合广西的科技发展水平。我觉得(这样看问题是)不恰当的,广西不应该只有一个院士。但是非常可悲的,现在就我一个院士。那么我能起什么作用呢,我都快80岁了。我还是希望新的院士产生,新的带头人产生。

现在学校也在引进人才,正在谈的过程中。我的接班人,也是很紧迫的事。这个必须尽快到位。目前这个适合的接班人确实还是比较难找,因为本身搞拱桥的人就少。现在我们国家的院士队伍里面,也只有我一个人专门在搞拱桥。为什么这个拱桥院士会产生在广西,也不是说我本人有多大的本事,就是广西这个区域适合修建拱桥。广西修了大量的拱桥。大量修拱桥,就会产生大量的技术,就会遇到大量的问题要解决,是这样在这个过程中产生的。

▲郑皆连工作现场/图源:广西路桥工程集团有限公司

《科学大师》:您对年轻的科技工作者有什么话要说?

郑皆连:首先要找准问题,然后持之以恒地,不断地去研究它。要持之以恒是比较难的,尤其是我们大家如果都比较倾向于怎么能挣更多的钱,恐怕就不会做出大的事情来。科学研究可能要坐几十年的冷板凳,不断地发现新的问题、解决新问题,它不会是一蹴而就,不是凭着你的灵光一闪一下子把问题解决了。除非这个问题本身不是那么困难。当然,金钱还是需要的,你要生活嘛,不能够脱离这个问题,但在基本问题解决的情况下,基本生活能保证的情况下,恐怕要把主要精力聚焦在需要解决的问题上,去不断努力。

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