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人物|石家庄铁道大学刘庆宽:让桥梁和建筑无惧“风雨”挑战

河北新闻网 2022-08-04 06:46:04
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  • 人物|石家庄铁道大学刘庆宽:让桥梁和建筑无惧“风雨”挑战

    2021年10月,刘庆宽在北京2022年冬奥会张家口赛区。 柴晓兵供图

    【阅读提示】

    风,一种空气流动所引起的、最常见的自然现象之一。但提起风工程、风洞试验,相信对很多人来说,是一个非常陌生的领域。

    北京2022年冬奥会上,在张家口赛区云顶滑雪公园的自由式滑雪空中技巧和U型场地技巧两个场地旁边,白色高大的防风网吸引了全世界的目光。

    “名声大噪”的防风网,也令它的研发者——石家庄铁道大学风工程研究中心主任刘庆宽,站到聚光灯下。

    作为一个深耕风工程领域20多年的研究者,刘庆宽是如何与“风”结缘的?他的风工程研究,又将让我们看到哪些鲜为人知的风的奥秘呢?

    【人物名片】

    刘庆宽,石家庄铁道大学风工程研究中心主任,河北省科协常委,河北省侨联侨界专家委员会副主任委员兼秘书长。深耕风工程研究领域20多年,带领团队累计完成了国内外300多项超高层建筑、大跨度结构和大跨度桥梁的抗风专项研究,获得多项省部级科技奖励。

    刘庆宽在北京2022年冬奥会正赛期间在崇礼提供技术保障,这是技术保障任务结束后,收拾现场用到的工具。 柴晓兵供图

    因冬奥防风网“广受关注”

    “贵项目作为本届冬奥会重要的科技支撑力量……表现出非凡的科技责任担当……展现了一线科技工作者的风采!”

    7月17日,石家庄铁道大学风工程研究中心主任刘庆宽,在朋友圈分享了一份他收到的“喜悦”——两封来自科技部的感谢信。

    信中,科技部科技冬奥领导小组对“冬奥会室外雪上项目场地防风网关键技术研究”项目组,以及作为项目组带头人的刘庆宽表示衷心感谢。

    谈到“冬奥会室外雪上项目场地防风网关键技术研究”,可能大家并不熟悉,但要说到“冬奥会防风网”,估计已经无人不知、无人不晓。

    将赛场的风速控制在每秒3.5米以下;厚度仅有4毫米却能承受20吨的拉力;在防风的同时,还兼有透光、抗紫外线、阻燃、耐低温等多项特点……

    北京2022年冬奥会上,在张家口赛区云顶滑雪公园的自由式滑雪空中技巧和U型场地技巧两个场地旁边,白色高大的防风网,吸引了全世界的目光。

    这项技术不仅打破了国外垄断,还得到了国际雪联等专家的一致认可和高度评价,正式比赛阶段,肖恩·怀特等多位知名运动员也对防风网给出了高度评价。

    “名声大噪”的防风网,令刘庆宽和他的风工程团队,站到聚光灯下。

    “要不是防风网亮相冬奥会,不会有这么多非本领域的人知道,在河北,在石家庄铁道大学,有我们这样一个风工程研究中心。”刘庆宽笑着说。事实上,自2009年建成以来,刘庆宽已经带领他的团队累计为300多个国内外重大工程进行了专项研究。

    从某种意义上来说,冬奥防风网的研发,是他们的一次“厚积薄发”。

    在石家庄铁道大学风工程研究中心的一间展览室,摆放着许多建筑模型。模型上,密密麻麻地分布着很多写着号码的标记。

    “这叫测压孔,风吹过来,它能感受到风的脉动压力。”抬起模型,只见里面是一束细粉条一样的管线,刘庆宽解释,每根管线都对应着一个测压孔,测压孔将感受到的压力通过管线传到传感器上,最终传入电脑,随后他们便可以在电脑上进行风的受力分析。“把一些试验模型安装在风洞中进行测压、测力、测振等不同种类的风洞试验,我们能够对试验对象的抗风性能进行评价,以此为依据达到优化设计、消除安全隐患的目的。”

    自2009年组建风工程研究中心,13年里,刘庆宽已经带领团队累计为国内外300多项大跨度桥梁、超高层建筑、大跨度空间结构和工业产品做过这样的风洞试验,其中不乏洛阳市奥林匹克中心、三亚河心岛桥、重庆亢谷大桥、石家庄火车站等城市地标建筑。

    此外,刘庆宽带领团队主持国家级、省部级科研项目20余项,参编国家和行业规范5部,在国内外学术刊物上发表SCI、EI检索论文100多篇,在国际和全国学术会议做大会特邀报告10多次。

    2013年、2021年,他们两次获河北省科技进步一等奖。

    正因此,首钢大跳台、新首钢大桥、京雄高速永定河大桥……近年来,请刘庆宽和其团队“把脉”的桥梁和建筑越来越多。

    “大家觉得风不是回事,其实它一直是回事”

    “全球风灾及次生灾害的经济损失占自然灾害总损失的85%,旱涝、火山、地震、海啸等所有其他加起来,总共只占15%。”

    7月14日,跟刘庆宽一见面,他便站在风洞实验室一张风灾害展板前,介绍了这样一组数字。

    “全世界风灾害最严重的国家中,我国排第二。”紧接着,刘庆宽又说出了一个令人震惊的数字。

    风,一种空气流动所引起的自然现象。

    我们似乎很少将风与灾害联系在一起,更不会想到,风灾害竟会在我国造成如此大的经济损失。

    “强风对土木工程的影响,主要集中于大跨度桥梁、超高层建筑、大跨度空间结构。这三种结构,在我国的数量是很多的。”

    刘庆宽介绍,从跨越能力来说,悬索桥、斜拉桥、拱桥、连续梁桥是跨度最大的四种桥型,每一种桥型的跨度最大的前十名中,有一半以上都在中国。拿超高层建筑来说,世界最高的100栋超高层建筑中,5年前就已经有半数以上在中国建成,现在这个比例更高。还有一种是大跨度空间结构,像机场、体育场馆、文化场馆等。“这些长、高、大结构受风的影响明显,因此,需要进行大量的抗风的研究。”

    事实上,最初听到风工程这门学科时,不仅是我们非专业的人,就连刘庆宽本人曾经也不了解。

    刘庆宽今年51岁,1990年考入石家庄铁道大学时,国内长、高、大建筑很少,风工程研究也少,大学课程中很少提到风工程研究。最初听到桥梁抗风研究时,刘庆宽觉得这个专业特别小众,心想“能跑火车、跑汽车的桥梁会怕风吗?研究这些有什么用?”

    可谁也没想到,几年之后,刘庆宽竟也踏入了桥梁抗风研究的行列。

    2002年,刘庆宽获得公派留学日本读博机会,进入日本京都大学攻读博士学位,研究方向是斜拉桥斜拉索的风雨振问题。

    之所以选择桥梁抗风,刘庆宽当时咨询了很多老师。

    刘庆宽解释,风工程研究和国家的经济、土木发展密切相关。

    风工程研究最早出现在二十世纪三四十年代的美国,当时,美国修建的旧金山大桥,全长有1300多米。二十世纪四十年代,建成仅几个月的美国塔科马大桥因大风引起振动并垮塌,引起专业人士的重视,逐渐发展起风工程这门学科。伴随着欧洲在二十世纪五六十年代大规模土木建设和日本在二十世纪七八九十年代大量高楼的建设、本州四国间三条本四联络线上许多大跨度桥梁的修建,风工程研究发展很快,应用也越来越广。

    留学日本时,中国经济也已经呈现出迅猛的发展势头,这让刘庆宽意识到,“国内的抗风研究一定会有很大的需求和应用。”

    事实证明,这个判断没错。

    2007年1月14日,刘庆宽学成归国,回到石家庄铁道大学。很多老师也好奇刘庆宽在日本学了什么,听说是“学的风”,大家都难以置信:“风有什么好学的?”

    刘庆宽回答:“风的危害很大,甚至能把火车都吹翻了,日本已经发生过30多个强风导致列车倾覆的事故。”他的话仍引得大家纷纷摇头。

    出人意料的是,仅仅一个多月后,当年的2月28日,从新疆乌鲁木齐开往阿克苏的一列火车,真被大风吹翻了。

    在学校领导的大力支持下,2007年11月,石家庄铁道大学风洞实验室筹建项目正式立项。

    “原来大家只是觉得风不是回事,其实它一直是回事。”在刘庆宽看来,风洞实验室的加速推进,既有学科发展的需要,也有经济发展需求的推动。

    风工程研究中心成果展览室的一面墙上,贴满了刘庆宽带领团队做过的抗风研究的照片,共计168张。这些照片,集聚了国内各类大跨度桥梁、超高层建筑、艺术中心等。

    “在上大学时,燕春饭店在石家庄都算是很高的楼了。”在过去的20年里,刘庆宽在自己的专业领域,一路见证着中国经济和土木工程的飞速发展。

    “项目越多,我们就把照片打印得越小,这样我们就能贴上无数张照片。”取下一个固定照片的纽扣磁铁,刘庆宽笑着说,之所以选择用纽扣磁铁固定照片,是因为以后墙上的照片只会越来越多,这样更加方便移动照片的位置,他相信,伴随着中国经济的高速发展,照片墙的地标建筑将会越来越多。

    用精准数据寻求技术突破

    7月14日,石家庄铁道大学。

    趁着放暑假,位于学校西南角的一处“厂房”一样的建筑,正在紧张地进行外围施工。推开厚重的铁门,只见一座像管廊一样的绿色大型科研仪器,“盘踞”在这间巨大的“厂房”内。

    这里,便是石家庄铁道大学风洞实验室,而这个绿色的大家伙就是风洞。

    这是国际上第一个回直流可变、双实验段的风洞设备。

    刘庆宽解释,该风洞的两个拐角部分可以从主体结构上挪开,将风洞由回流的结构变成直流的结构,可以做风雨风雪风沙类的试验。两个拐角结构移回至主体结构上,风洞就又会变成一个回流风洞。这台设备不仅能模拟出最大风速可达80米/秒(超过32.6米/秒就是12级风)的强风,还能模拟从毛毛雨到大暴雨的各级雨强的降雨……

    这别出心裁的设计,就出自刘庆宽之手。

    “当时连房子、建风洞、买设备,一共是800来万。现在看起来这个简直经济得不得了。”刘庆宽说,当时这也是学校单笔投资较大的一个设备项目,“所以当时在设计风洞的时候,我们就想着怎么才能又省钱,又能功能多。”

    同样是为了省钱,当时为了能找到质量又好又便宜的钢材,刘庆宽前后共联系了50个卖钢材的商家——“26个商家我们去现场看了,另外24个商家我们在网上了解了详情并打电话进行仔细询问,反复比较钢材的类型、质量、产地、库存等各类信息。”

    2009年4月,石家庄铁道大学风洞实验室建成。但彼时刘庆宽压力更大了,“实验室建成了,后续的研究能不能跟上?能不能承接到有影响力的项目?”

    尤其是在国内已经有不少985、211大学形成了业绩丰富的风工程团队的背景下,在一个没有风工程研究基础和积累的大学、团队只有一名老师加几个硕士研究生的情况下,在国内风研究领域闯出一番名堂,难度可想而知。

    2011年结束在美国德州大学和湖南大学的博士学习,和夫人一道加入风工程研究团队的老师刘小兵,经历的正是研究中心起步时的艰难岁月。

    “当时学生也少,从模型制作到抗风试验,都是刘教授自己上手。”令刘小兵印象最深的是,好不容易接到一个项目后,刘庆宽在给对方拍试验照片时,总会把整个风洞打扫得一尘不染,“生怕拍出的照片不好看。”

    不过,刘庆宽带领团队能取得现在的成绩,靠的不是这些表面功夫。

    “做抗风实验,就好比是给建筑拍CT,但CT拍得准不准,受到很多因素的影响。”刘庆宽解释,从风场模拟到模型精度,从测试点的布置到传感器的选用,从数据采集到分析处理,许多环节的细节都会直接影响数据测量和计算的准确度,处理不好,个别情况下甚至会引起数倍的偏差。

    团队做过一个东南沿海地区的电厂大跨度煤棚钢结构的风洞试验项目。

    最初,这个项目没有做风洞试验,有专家建议风洞试验后再进行工程设计。

    “我们做完后,结果显示风荷载比原来拟采用的设计值小很多,能省下来不少建设费用。”刘庆宽说,令人没想到的是,采用风洞试验成果进行结构设计并建成的工程竣工后不久,当地就有强台风经过,而且煤棚还位于风力最强的地区。当地不少结构都不同程度地被吹坏了,但这个大跨度结构却没有任何损坏,相当于刚刚建成就经历了50年一遇大风的考验,结果令各方都很满意,这个工程还获得了中国钢结构金奖。

    “我们一直特别追求数据的精准性。雷诺数效应、试验技术等方面,在国内的风研究团队中我们也是很有特色的。”刘庆宽说。

    但风工程研究,不仅仅是“拍CT”这么简单。既要找到病根,又要开出药到病除的药方,才能完整解决问题。

    斜拉桥的风雨振,一直是困扰大跨度斜拉桥的一个难题。

    国内某座大桥刚建成时,当时为了减轻振动,采取的措施是在斜拉索下端安装阻尼器,但没想到大桥还没通车,斜拉索的振动便把部分阻尼器都振坏了。

    “这就说明只安装阻尼器还是不对症,根治不了问题。”刘庆宽解释,工程上的风问题,不仅要通过研究把病根找准,还得对症下药。有药就把它配准,没药就要研发新药。

    针对斜拉桥的风雨振问题,近年来,国际上做了很多研究,普遍认为在斜拉索上加螺旋线对防止风雨振能起到不错的效果。

    “但螺旋线缠几根,用多粗的螺旋线,缠绕间距多少?什么样的参数既能控制振动,同时阻尼系数又最小?”刘庆宽解释,控制振动意味着大桥具有安全性,阻力系数小意味着大桥具有经济性。而阻力系数,跟大桥的结构参数、所在位置处的气象参数等诸多方面的因素有关。带着这些疑问,如今,他们已经提出了一套完整的计算方法,而这些研究成果已经成功地应用于多座大桥。

    不仅是抗风研究,近两年来,刘庆宽正逐渐将团队的研究领域扩展到风能利用研究领域。

    “风工程研究是一个实用性非常强的学科,我们的研究最根本的目标是服务于经济社会发展,同时,我们也希望用技术突破,为河北的经济转型升级和国家重大设施建设贡献科技力量。”刘庆宽表示。(河北日报记者周聪聪)

    (感谢石家庄铁道大学、河北省归国华侨联合会对本报道的支持协助)

    编辑手记

    细节背后的师风

    采访石家庄铁道大学风工程研究中心主任刘庆宽归来,记者谈及了一个有趣的细节:

    刘庆宽对学生的要求很严、很细,而且涉及方方面面,“细致到什么场合穿什么衣服,怎么发邮件,怎么回短信,怎么打电话,接待客人时车上的座位怎么坐,等等。”甚至,纯粹“工科背景+科研岗位”的刘庆宽专门把这些待人接物的要求和指导总结出来,编写出版了一本书——《高校在校生实用交往技能与礼仪》。

    近年来,河北日报“深读周刊”采写了很多高校教师,他们中,有闻名全国的专家、模范,也有名不见经传的普通高校教师,也听说过各种各样类似的“河北细节”:

    以严格著称的“太行新愚公”、河北农大教授李保国,对学生的指导细致到连实验记录用笔都有具体规定,对论文中的标点符号也要逐一规范,很多研究生、博士生都被训哭过。可细心的他也会悄悄地把研究生拉到一边、指导一下年轻人的感情生活;曾任河北医学院儿科医学系名誉系主任的任秉钧,困难时期被石家庄人待客的一根胡萝卜感动而调入河北,直到古稀之年还经常给本科生盯自习盯到晚上十点;带领三位同事承担全校1300多名学生的制图课、每学期个人教学任务高达950多个课时的石家庄铁道大学教授池建斌,即使只给一个研究生上课,也要一丝不苟地手绘图例;从医生岗位转上三尺讲台的河北医科大学医学教育史教研室主任孙轶飞,到岗后做的第一件事是购买了全套的人教版高中教材,认认真真通读一遍,以便搞清楚学生的背景知识是怎样的、课应该怎么讲学生才爱听……

    在这些不同年代不同学科的“细节故事”中,我们看到的是很多河北高校教师共通的一种师风——对学生细致入微的关爱。

    高校教师是一种需要兼顾科研与教学的特殊职业。在现实生活中,我们看到,大多数高校教师,传承了桃李不言、立德树人的师风,从不缺乏关爱学生的具体细节和路径。同时,毋庸讳言的是,科研已经成为很多高校教师的主流任务,“讲好一门课能折算成几篇论文”也成为很多教师的无奈与纠结。理顺教学和科研的关系,解决高校教师的后顾之忧,实现科研与教学的双向促进,才是对师德师风的最好鼓励与促进。(文/河北日报记者朱艳冰)

    责任编辑:张云

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