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曾慶元是中國工程院院士、著名橋樑工程專家、中南大學教授。曾慶元教授長期從事橋樑結構振動與穩定的教學和研究。創立了一套嶄新的列車一 橋樑時變系統橫向振動分析理論,其研究理論、研究方法和研究成果達到國際領先水平;他一輩子致力於解決列車行駛過程中的安全與穩定問題,為新中國鐵路橋樑和列車安全工程建設做出了重大貢獻。

1 曾慶元 -人物簡介

曾慶元曾慶元

曾慶元(1925.10.20 -),橋樑動力學專家。出生於江西省泰和縣原籍,1956年清華大學研究生畢業。現任中南大學土建學院教授、博士生導師。

曾慶元教授長期從事橋樑結構振動與穩定的教學和研究。創立了一套嶄新的列車一 橋樑時變系統橫向振動分析理論,其研究理論、研究方法和研究成果達到國際領先水平;提出了大跨度斜拉橋局部與整體相關屈曲極限承載力分析理論及剛構架、系桿拱橋、板桁組合結構橋樑的極限承載力分析理論、列車-軌道時變系統橫向振動分析理論及高速無縫線路軌道結構橫向動力穩定性分析理論。他提出的彈性系統動力學總勢能不變值原理是對動力學理論的重大改進及對Hamilton變分原理的重要補充;先後獲詹天佑成就獎,兩次獲國家科技進步獎,多次獲省、部級獎勵。

2 曾慶元 -破解列車行駛難題

困擾鐵路運輸100多年的世界難題(列車脫軌),被曾慶元攻克。實車測試,預防脫軌有99%以上的把握,通過進一步實驗測證后,將在全國推廣應用。

曾院士突破了以往國內外研究中把列車和軌道分開考慮,只注重研究輪軌接觸力的傳統理論,把列車和軌道作為一個整體系統來分析,提出彈性系統動力學總勢能不變值原理及形成矩陣的「對號入座」法則,簡便地建立了列車和軌道系統空間振動方程組。

脫軌是車輛劇烈橫向振動的結果。曾院士發現,在不考慮風的作用下,列車和軌道系統的橫向振動由軌道不平順、輪軌的缺陷、車輛部件製造誤差、車輛質量及載重偏離中心等因素引起,屬於自己激發的力。系統橫向振動自激力作為功成為輸入系統的橫向振動的能量,當系統橫向振動達到其最大振動時,就會發生脫軌。於是曾院士和他的學生在鐵路幹線上大量實測客貨車、機車在各種車速下的構架蛇行波(如同沙漏擺動時在地面留下的痕迹),截取每公里波形圖為一個樣本,分別按直線和曲線統計各樣本的標準差,由工程概率分析辦法,得出具有99%概率水平的輸入能量標準差與車速的關係曲線,從而算出系統橫向振動最大值。它包括了所有引起系統橫向振動的影響,反映了不同輪軌接觸狀態的作用,因此相當精確。

曾院士和學生們已做了幾萬公里的實車試驗,成功模擬出了由一輛機車加29輛車廂組成的列車在500米長的線路上運行時的脫軌全過程,設計出了一套計算列車脫軌係數的計算機軟體,並根據有關方面提供的數據,運用該軟體計算了4列列車的運行情況,其中兩列脫軌,兩列不脫軌,計算結果與實際吻合,模擬曲線圖與實際曲線圖接近。

3 曾慶元 -研究方向

曾院士下一步的目標是做更多的實車試驗,完善這一理論,並根據實際情況,提出預防脫軌的標準,包括軌道技術參數和車輛技術參數。

國內外對列車脫軌問題的研究多是定性分析,不能模擬列車脫軌全過程,更談不上從理論上闡明列車脫軌的機理。曾院士的研究無疑是一項重大創新。曾院士的預防脫軌標準確立后,不但能最大限度地減少脫軌,而且能保證和促進列車的進一步提速,實現鐵路建設「安全、多拉、快跑」的多項戰略目標。

隨著列車不斷提速,京廣、京通線的多座橋樑振幅超限,有可能存在安全隱患,要不要拆除重建?一直苦於缺乏科學依據而無法決斷。后經曾慶元仔細測算,京廣線上的4座橋樑雖然振動較大但並無安全隱患,而京通線上的兩座橋樑只需限速行駛即可,共有6座橋樑無需重建。有人算了一筆賬,按每座鐵路橋1000萬元的平均成本計算,此舉節約費用6000萬元左右。

4 曾慶元 -成果

曾慶元提出了彈性系統動力學總勢能不變值原理、形成系統矩陣的「對號入座」法則、及彈性系統運動穩定性的總勢能判別準則。創立了一套嶄新的列車-橋樑時變系統橫向振動分析理論,解決了九江長江大橋、提速高速鐵路橋樑等百多座橋樑的橫向剛度分析問題及橋樑加固計算問題。1998年被鐵道部鑒定為國際領先水平。

曾慶元利用8年的時間,創立了一套列車脫軌分析理論,2005年5月被鐵道部鑒定為「實現了列車脫軌分析理論的重大突破,研究成果為原始創新,達到了國際領先水平,具有很高實用價值和廣闊應用前景」。提出了橋樑局部與整體相關屈曲極限承載力分析理論,解決了多座橋樑極限承載力的分析問題。

曾慶元發表論文近百篇,專著3本。指導博士生30名,碩士生16名。1999年當選為中國工程院院士。

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