曾慶元：突破列車脫軌的世界級難題

曾慶元在工作。圖片|今日科

大秦鐵路是我國第一條雙線電氣化重載鐵路，是我國“西煤東運”的能源大通道。2020年8月，受暴雨影響，大秦鐵路曾在一周內發生兩起列車脫軌事故。

據統計，列車脫軌引起的事故已占整個鐵路運輸事故的七成左右。不明原因列車脫軌的理論分析，一直是非常復雜和困難的課題，100多年來國內外都未解決。而在2005年，中國工程院院士、橋梁動力學專家曾慶元的《列車脫軌分析理論與應用》出版，一舉突破了這一世界百年難題。

“土生土長”的農民院士

在眾多有著杰出留學經歷的院士中，曾慶元或許更符合一個“異類”的設定，他沒有出國留學和工作的經歷，學術生命、精神、成就全是在中國本土文化的沃土上形成、發展起來的。

1925年9月20日，曾慶元出生于江西泰和縣螺溪鎮三都圩鄉鄭洲村的一個農民家庭，為維持最起碼的物質生活，曾慶元的父母常常起早貪黑勞作。

曾慶元讀書時，教書先生發現他的記憶能力特別強，于是每天給他安排的背誦功課總是比別人多，而他每次都能按時完成，并且流利背誦。4年時間，他從沒有挨過先生的“板子”，也比別的學生學得更扎實。

曾慶元的父親出于尊重知識分子的傳統觀念，加上器重兒子學習上的天賦，堅信“惟有讀書高”，縱使家境貧寒也不肯讓曾慶元退學。

曾慶元深知家人的用心良苦和滿腔期待，1946年9月，他以優異成績考入國立中正大學（現南昌大學），并獲得“甲等公費”求學資格，師從著名學者蔡方蔭、王修寀、汪良一等人，主攻力學。

事業一波三折卻永不言敗

1950年7月，曾慶元從南昌大學畢業，因成績優秀留校擔任土木工程系助教。

1952年年初，曾慶元與10多名同系教師被派往江西向塘參加機場修建，從事測量工作。當時外出工作的物質條件十分惡劣，剛到工地的那幾天，大家吃的是沒油沒鹽的粗糧，晚上只能睡在三條板凳拼成的“床鋪”上，還要承受蚊子的叮咬……

雖然環境惡劣，但為了完成測量工作，曾慶元常常不避風寒暑熱，也不計時間早晚，甚至赤著腳上陣測量。

受國家高校院系調整的影響，原就職于南昌大學土木工程系的曾慶元被任命為中南土木建筑學院橋梁與隧道系結構力學教研室助教。1954年1月，他被派往哈爾濱工業大學攻讀木結構碩士研究生，后轉入清華大學攻讀鋼結構。

畢業后，他回到中南土木建筑學院，擔任建筑結構教研組助教，但工作還未穩定，他又被下調到漣源鋼鐵廠參加勞動鍛煉。

盡管遭遇了學非所用的尷尬，但習慣于在學術上韜光養晦的曾慶元選擇“隨遇而安”。他干勁十足，在鋼鐵廠技術革新上，提出了很多有效的方法，還被評為乙等光榮生產者、丙等勞動鍛煉先鋒。工作之余，他將時間都用在了研讀鋼結構方面的專業書籍上，為日后從事鋼結構研究夯實了基礎。

20世紀50年代末60年代初，長沙鐵道學院成立，為了加強橋隧專業的師資力量，學院點名調入曾慶元。

圖片|中國科學報

突如其來的“換專業”讓曾慶元措手不及。他原本在工業與民用建筑的房屋鋼結構研究上已輕車熟路了，面對突然轉向橋梁鋼結構的研究與教學，他在“蒙”的同時，迅速擺正了自己的心態，將挑戰化為機遇，開始了新一輪的征程。

他說：“到鐵道學院是我一生中最大的機遇。因為當時的工民建是比較成熟的領域，要有所突破和發展很難;而鐵路建設當時剛剛起步，大有發展前途。”

當時曾慶元腰腿有疾，行動不方便，但他還是下力氣學習了許多鋼橋疲勞強度、鋼橋振動等鋼橋知識。

長沙鐵道學院建校伊始，百業待興，工作環境很差。1960年秋季開學時，教學樓只建到三樓，還沒有窗戶，大家只好邊建邊用，上面的樓層照建不誤，下面師生照常上課。

當時教室的陳設極其簡陋。墻上打兩顆釘子，掛上一塊涂了黑漆的木板當黑板;屋里擺的課桌椅都是四處湊來的。教師們的居住條件、生活環境、科研設備也都很簡陋。曾慶元身患坐骨神經痛尚未痊愈，右小腿的終身萎縮也帶來了許多不便，即便如此，他還是堅持拄著拐杖上課。

當曾慶元準備重振旗鼓，在教學、科研上取得新的突破的時候，工作受到了當時社會形勢影響，進度緩慢。學生停課、停學，他就利用這塊完整而大量的時間，躲進三尺小屋，偷偷讀書，把原來在清華讀研時收藏的書又好好地重讀了一遍。這期間，他將符拉索夫、柏拉希、鐵摩辛柯的力學理論精髓，愈加深入理解并熟練運用，

他說：“那幾年反倒讓我安安靜靜讀了不少書，理論上提高了不少。”

厚積薄發筑起安全屏障

1976年，長沙鐵道學院到九江長江大橋工地開門辦學。九江長江大橋位于贛、鄂、皖三省交界處，是我國當時規模最大的一座公、鐵兩用橋，正橋三大主跨有三個弧形拱圈伸出公路面，共11孔鋼梁，最大跨度為216米，創我國鐵路橋跨度之最。

九江長江大橋的建造涉及很多力學知識，這對參與九江長江大橋建設的曾慶元來說十分重要。

當時設計院的工作人員在現場對一個40米混凝土簡支梁的扭轉計算產生了分歧，曾慶元幫他們進行了重算。他在自己創立的桁梁空間分析法的基礎上，又提出一種箱形梁計算的板梁框架法，算出了該箱梁在自重下“三條腿”時的最大扭曲拉應力和最大豎向位移，還撰寫了論文《薄壁箱形梁在偏載作用下的計算》。

曾慶元算出的九江長江大橋引橋40米箱形梁約束扭轉應力及位移的正確值，與1977年該梁原型試驗值非常接近，這個精度讓在場的專家們心服口服。

1978年，該成果在鐵道部科學大會上獲得兩項獎，但獎項下卻既沒有長沙鐵道學院的名字，也沒有曾慶元的名字。曾慶元對此卻并不十分在意，“對于我而言，只要解決了實際問題，就是最好的獎勵，只要方法對頭，計算準確，我就無比欣慰”。

1978年11月，53歲的曾慶元被聘為副教授，開始招收研究生。他認識到，帶研究生需要有穩定的研究方向。于是經過一番深思熟慮后，他最終確立了“車橋振動”作為自己和他的學術研究團隊的研究方向。

隨著中國鐵路事業快速發展，列車出軌的事故時有發生。作為一名從事橋梁方面研究的學者，曾慶元深知自己的責任與使命。

他曾多次告訴學生，要多關注橋梁建造方面的負面信息，找出事故發生的原因，從而及早杜絕。

曾慶元知道研究“車橋振動”的終極目的是要解決列車脫軌的問題。他爭取在最短的時間內弄到了國內外關于橋梁建造方面發生的事故資料，旋即著手分析、研究。

1997年，他指導博士生向俊做有關列車脫軌問題的博士論文。這一年，曾慶元已經72歲高齡了。

他帶著20多個“追夢人”克服科研經費不足、經驗不足等困難，北上沈陽，南下廣州，東至上海，西達貴陽，大量收集、分析事故資料，用自己設計的有效數學模型，在計算機上分析，并進行了實車測試，構建出了全新的“列車脫軌能量隨機分析理論”。

這一理論不僅圓滿地解釋了以往脫軌事故中無法解釋的復雜原因，而且能準確預測列車是否脫軌，可以及時采取相應的防范措施，可信度在99%以上，就這樣，困擾鐵路運輸100多年的世界難題被曾慶元攻克了。

同年，鐵道部科技司在長沙組織召開了這套列車脫軌分析理論與應用研究的專家會議。

鑒定意見為“課題組實現了列車脫軌分析理論的重大突破，本理論研究成果為原始創新，達到了國際領先水平，具有很高的實用價值和廣闊應用前景，為制定預防脫軌措施及標準提供了理論依據，可供線橋設計和規范修訂參考”。

2016年6月3日，曾慶元因病醫治無效逝世，享年91歲。

漫長的學術研究道路上，曾慶元不為名利，不畏艱難，萬里鐵路“走單騎”，致力于鐵路橋梁振動與穩定的研究，直至攻破列車脫軌的世界級難題。

雖沒有大橋因他拔地而起，但他30年來的學術成就對未來鐵路橋梁的建設提供了指導，為無數的生命與財產安全筑起了一道堅實屏障。

曾慶元：橋梁動力學專家，中國工程院院士

語錄：

“做脫軌，這個是國家重大需求，鐵路上的頭等大事。”

“只要解決了實際問題，就是最好的獎勵。”

◎ 來源|采集工程項目辦公室/中國科協創新戰略研究院