求证之路——湖工“工程结构模型试验和仿真研究”纪实

2月26日。湖北省科学技术奖励大会。湖北工学院“工程结构模型试验和仿真研究”获得了省科技进步一等奖。课题组负责人余天庆和熊健民两位教授的心情久久不能平静。是他们的这项成果，在国家“九五”、“十五”重大工程——福建漳州战备大桥、芜湖长江大桥和武汉军山长江大桥建设上，发挥了重大作用。

芜湖长江大桥是当时我国修建的跨度最大、规模最大的公铁两用新型重荷载桥梁。设计采用新钢种，随之带来新的结构和工艺。大桥钢构件采用了厚板焊接整体节点——大量钢梁预先在工厂进行整体焊接，减少现场施工，提高钢梁整体性。但采用新工艺后，焊接的钢结构能否承受大桥的荷载和自身应力，还不得而知。

2000年2月，在大桥局桥梁科学研究院的实验室里，余天庆、熊健民带着课题组为足尺寸模型制作后的力学、数学建模忙碌着。芜湖长江大桥的设计寿命为100年，必须对关键部位进行600吨荷载、200万次的试验。

验证一项工程设计是否可行，只作简单的破坏性试验是无法证明的。余天庆和熊健民在研究方向上虽然不太相同，但对损伤力学都有着同样的兴趣。上世纪80年代，余天庆曾应邀请在法国居里夫妇大学Cachan力学与技术研究所工作，熊健民也于当时赴美、英讲学。1989年在广西防城边境大桥的建设中，两人开始了合作研究。

接到课题后，余天庆、熊健民和其他成员一起，对设计方案进行了认真研究。熊健民认为，钢桥建设发展到焊接法大幅度取代螺栓、铆钉，钢桁梁整体节点静载和抗疲劳性是设计的关键。于是，课题组在综合各方意见后，确定对芜湖长江大桥钢桁梁整体节点这个大桥最关键部位，进行静载和疲劳试验。

按照设计足尺寸制作关键部位模型后，在模型上应变计、钢弦计的定位，对力学、数学建模，试验数据的取得至关重要。余天庆和熊健民虽然在这一领域都有着多年的经验，但他们不敢有丝毫的大意。每一个应变计、钢弦计的安装，余天庆和熊健民都要认真细致地向课题组的研究生讲解。由于是足尺寸试验，大桥钢桁梁整体节点和实际部位一模一样，模型加载机就有近14米高。调试过程中，已年近70岁的余天庆和其他人一样，经常为校正一个数据爬上爬下。

按每秒钟一次计算，200万次静载试验也需要近24天。试验正式展开后，为防止意外，现场24小时都有人监控。作为课题组负责人，余天庆、熊健民每天都在现场察看试验情况。在取得试验数据后，课题组用ANSYS分析软件和MSC．MARC软件作计算机仿真试验。试验结果令人振奋，大桥钢桁梁整体节点各类焊接接头的焊接试验的力学性能均达到设计要求，焊接接头的屈服强度、抗拉强度和伸长率三项指标均高于规定值1.5倍。

课题组在进行军山长江大桥结构模型试验和仿真研究时，条件很艰苦。2000年8月，正值武汉酷暑，军山大桥索塔环型预应力钢筋混凝土锚固区足尺模型的试验刚刚开始。力学性能试验对气温要求高，由于天气炎热，为保证获取数据受天气影响最小，试验都在每天晚上10点以后进行。余天庆、熊健民其他成员一起，通宵达旦坚守在现场。军山大桥的关键部位，是索塔环型预应力钢筋混凝土锚固区。课题组选择了塔索一个节段，足尺模型就有7米乘7.5米大小。为模拟塔索极限承载力，计算孔道摩阻，余天庆、熊健民决定采取塔索内放置千斤顶的方式进行试验。三伏天，封闭的塔索模型里象蒸笼一样，不动都汗流浃背。整整2周，余天庆、熊健民始终都在现场指导试验。

艰辛的求证之路，终于获等了丰硕的成果。2002年7月，在“工程结构模型试验和仿真研究”鉴定会上，芜湖长江大桥的设计者、中国工程院院士方秦汉对这项研究给予了高度评价。在评审中方秦汉指出，湖北工学院采取的工程结构模型试验和计算机仿真研究科学、缜密，对保证三座大桥工程质量起了重要作用。他充分肯定了湖工在芜湖桥上所作的研究。方秦汉说，芜湖桥是对公路斜拉桥技术进行大胆“移植”，采用“钢桁梁与钢筋混凝土行车道板组合结构”的刚性斜拉公铁路两用桥，主跨达到312米，大桥受力复杂，施工工艺在我国桥梁建设史上首次使用，湖北工学院用他们先进的实验方法，一流的模拟仿真技术，应证了设计的可行性。

《湖北日报》2004年3月9日A3版