林皋 -中國科學院院士水利工程學家

林皋

中國科學院院士水利工程學家
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林皋,水利工程及地震工程專家。男,1929年1月2日生于江西豐城。1951年清華大學土木系畢業,1954年大連工學院水能利用研究班畢業。大連理工大學教授。1997年當選為中國科學院院士。長期從事水工結構工程領域的教學和研究工作,在水壩抗震理論和模型實驗技術、地下結構抗震分析和混凝土結構動態斷裂技術理論研究方面,為學科發展作出了重要貢獻,在解決大壩、海港、核電廠等工程實際問題的關鍵技術方面發揮了重要作用。

  • 國籍
    中國
  • 出生地
    江西省南昌市
  • 出生日期
    1929年1月2日
  • 職業
    水利工程及地震工程專家
  • 畢業院校
    清華大學,大連工學院
  • 中文名
    林皋

人物簡歷

1929年,生于江西省南昌市。

1951年,清華大學土木系結構工程及水利工程專業畢業,同年到大連工學院任教。

1951年至1954年,在哈爾濱工業大學及大連理工學院水能利用研究班學習,獲優秀畢業證書。

1962年,任大連理工大學副教授。

1980年,任大連理工大學教授。

1981年起,任水工結構工程專業博士生導師,所培養的研究生已有24人獲得博士學位,20人獲得碩士學位,並指導了多名博士後研究人員的學術研究。

1997年,當選為中國科學院院士。

個人榮譽

1988年,獲國家級有突出貢獻專家稱號。

1990 年,獲全國高校優秀科技工作者稱號。

曾獲得國家科技進步一等獎、國家教委科技進步二等獎、能源部電力科技進步一等獎等10餘項獎勵。

學術兼職

2011年,任贛州一中榮譽校長。

大連理工大學振動與強度測試中心主任,土木系學位委員會主任。

學術貢獻

從五十年代以來一直從事大壩等工程建築與震動波動、混凝土結構動態斷裂、工程建築物抗震設計方法等方面進行了較深入的研究。在解決大壩、海港、核電廠等工程實際問題的關鍵技術方面發揮了重要作用。

長期從事水工結構工程領域的教學和研究工作,在水壩抗震理論和模型實驗技術,地下結構抗震分析,混凝土結構動態斷裂技術理論研究方面,為學科發展作出了重要貢獻。代表性工作有拱壩等復雜殼體動、靜力分析的"拱梁模態法"壩與地基動力相互作用的計算方法大壩和核電廠海域工程結構抗震安全評價的動力模型破壞試驗的仿真模擬技術載入歷史對混凝土材料的多軸強度與損傷特徵的影響等。

發表著作3本,研究論文200餘篇。

和日本東京大學、罔山大學,美國紐約州立大學等院校的教授建立有合作研究與學術交流聯系。為中國十餘座大型混凝土壩工程、土石壩工程、海港碼頭工程,核電廠建築工程等負責過抗地震安全評價方面的研究與試驗工作,參與編製了工國水工建築物抗地震設計規範與核電廠抗地震設計規範。有關大壩在爆破振動中的安全評價,水壩抗震理論與試驗技術。

學術生涯

林皋是中國著名水利工程與地震工程專家,主要從事大壩及核電廠等工程建築物的抗震研究。1951年林皋畢業于清華大學土木工程系,後進入哈爾濱工業大學和大連工學院水能利用專業攻讀研究生。1981年成為中國首批博士生導師。1997年當選中國科學院院士。林皋院士經歷了中國壩工建設從初級到高級階段的發展,他的科研工作在解決實際問題的同時,研究水準也隨之逐步提高,直至進入世界先進行列。

新中國建立初期至20世紀60年代,中國興起了壩工建設的第一個高潮。通過發揚自力更生、自主創新的精神,中國自行設計和建造了一批大壩,高度突破100米,使中國跨入了世界近代壩工建設的行列。1956年在廣東流溪河上興建了中國第一座雙曲拱壩工程,以潘家錚總工程師為首的著名專家們提出了壩上挑流的泄洪方案,這一方案可節約大量工程投資並使下泄水流遠離壩基,保障壩基安全,較當時國外的壩頂滾流方案技術更為先進。但挑流造成的水流脈動振動對大壩安全的影響則成為工程面臨的巨大挑戰。

在中國力學權威錢令希教授和戴宗信教授的支持下,從研究生班畢業僅僅兩年的林皋院士勇敢地承擔了實驗研究的任務。雖然一切都是從零開始,但是林皋院士和他領導的研究隊伍充滿了信心,通過不懈的努力,他們研製成了橡膠模型材料,建成了中國第一座機械式振動台,在國內首先研製成功了模型振動測量的感測器,提出了拱壩振動的模型相似律,開創了壩頂挑流水流脈動壓力的測試和脈動規律的研究,設計了脈動振動引起的壩體振動回響的實驗裝置。隻用不到兩年的時間,最終完成了中國第一個拱壩模型振動試驗,為壩頂挑流方案的實現提供了技術支持。前蘇聯書刊的評價認為"進行了精細的模型研究,具有很高的科學水準,套用了先進的量測儀器"。

1958年林皋院士又根據雲南以禮河毛家村土壩工程的需要,領導開展了中國第一個土壩模型抗震試驗,研究成果被水電部選為對外技術交流資料。林皋院士還開展了中國第一個支墩壩模型的縱向彎曲抗震穩定試驗,並提出了拱壩與重力壩地震回響的計算模型。這些工作為中國大壩抗震研究打下了基礎。

20世紀70年代後期進入改革開放年代,中國壩工建設又進入了一個新的高潮。一批100米至200米級的高壩大量興建,壩工技術又達到了一個新的高度,中國的大壩抗震技術也逐漸走向成熟。

林皋院士領導的研究小組承擔了當時中國最高的白山拱壩和豐滿重力壩抗震安全評價的任務。在一無設備、二缺資金的條件下,提出了直接攝影法這一新的試驗技術。研究人員自行設計、自行加工、製成了輕型的電磁式振動台,利用比較簡單的設備,獲得了直觀性強、圖像清晰的白山拱壩正反對稱共9階振動模態和振動頻率、豐滿重力壩4階振動模態和振動頻率。當時日本利用電磁激振法進行模型試驗,英國利用有限元法進行拱壩動力分析,隻能獲得拱壩正反對稱3至4階振動模態和頻率,重力壩2至3階振動模態和頻率。在此基礎上,林皋院士小組又發展了仿真材料重力壩和拱壩動力模型破壞試驗技術,對各種激勵水準下的地震破壞形態進行模擬,在國際交流中獲得好評。林皋院士等還提出了拱壩動靜力分析的拱梁模態法,使計算的效率和計算精度得到進一步提高。

新世紀前後,中國水電能源建設跨入騰飛階段,一批接近和超過世界頂級高度300米的大壩已經和正在中國開工建設。世界建壩中心轉向中國,無論從建壩數量、建壩高度、建壩規模與技術難度來說中國都居于世界的首位。這些大壩建于中國長江、黃河上遊強地震活動區,大壩的設計地震加速度遠遠超過歷史上的最高水準,大壩抗震安全成為設計中需要解決的關鍵技術問題之一。20世紀90年代以前,中國建設的大壩,其設計地震加速度一般不超過0.15g~0.16g。但到2000年前後建設300米級超高拱壩小灣拱壩(高292米)和溪洛渡拱壩(高282米)時,設計地震加速度已分別提高到0.308g和0.312g,而將建設的大崗山拱壩(高210米),其設計地震加速度則達到創紀錄的0.5575g,翻了一番以上。作為對比可以指出,目前世界上已建的最高拱壩為前蘇聯的英古裏拱壩,高271.5米,其設計地震加速度為0.23g。在如此高烈度地震區修建世界級的超高拱壩,對中國的大壩抗震技術是一個嚴峻的挑戰,國際上也缺乏相關的經驗。在三次國家自然科學基金重點項目和國家重點科技攻關課題的支持下,林皋院士領導的科研小組為攻克一道道技術難關作出了不懈的努力。

首先需要進行的是對傳統的計算模型、計算方法和評價體系的變革,其中包括地基的影響、庫水的影響、橫縫的影響等一系列復雜的技術問題都需要解決。地基方面現有設計中,一般採用無質量的地基模型來模擬地基對拱壩地震回響的影響,但這忽視了無限地基對振動能量的耗散作用,根據瑞士所進行的一些拱壩的實際地震觀測的結果表明,無質量模型將給出過分保守的計算結果。國內外的一些研究者們嘗試使用邊界元方法、無窮元方法和透射邊界等方法來處理這一復雜課題,但也相應地出現了計算工作量大和計算穩定性等許多問題,計算精度也不理想。而且由于計算復雜,隻能將地基簡化為均勻介質進行處理。但實際上的拱壩地基是復雜而不均勻的,這對拱壩抗震安全性所帶來的影響是必須面對的問題。

林皋院士認為,不能停留在原有的架構內,必須採用新的思想、新的途徑來解決問題。通過不斷探索,林皋院士等發現了比例邊界有限元法這一有效的計算方法。這種方法隻需在計算域的邊界上進行離散,問題的維數降低一維,計算工作量大量節約。特別是這種方法可以方便地處理地基介質各向不同性的問題,和地基介質模量沿深度按某一定規律發生變化等問題。林皋院士小組據此率先研究了地基中含軟弱夾層、地基中存在不連續介面,以及地基模量沿深度成長等復雜不均質地基對拱壩地震回響的影響。通過研究顯著加深了對拱壩-地基系統地震回響的認識。

拱壩-庫水的動力相互作用也是一個復雜的技術領域。多年來大壩抗震設計中一直沿用著按韋斯特加德的簡化公式進行地震動水壓力的計算。但根據喬普拉等進行的研究,庫水的可壓縮性以及水庫邊界對動水壓力波的吸收作用都是需要考慮的重要因素。喬普拉等採用有限元的方法進行求解,對于拱壩三維水庫的離散工作量很大,而且他提出的計算模型和方法十分復雜而繁瑣,難以在實際工程中得到推廣和套用。為此,不少研究者作了改進,採用邊界元法進行求解,以便使問題降階一維。但邊界元法花費在基本解數值計算方面的工作量,幾乎足以抵消降維所節省的工作量,而且最終所得到的計算矩陣是非對稱的,並且是滿陣,增加了求解的困難。因此,邊界元法基本上隻在二維重力壩的情況得到一定的推廣。

林皋院士等所提出的比例邊界有限元的求解方法,使這些問題可以迎刃而解。它不僅可以方便地處理庫水壓縮性和水庫邊界吸收問題,而且對于三維拱壩--庫水動力相互作用問題,在棱柱形水庫的條件下隻需在壩面進行離散,使計算工作量得到很大程度的節約,極大地方便了工程上的推廣套用。林皋院士小組套用這一計算模型率先研究了三維拱壩和二維重力壩水庫幾何形狀對壩水耦合振動產生的效應,闡明了水庫幾何形狀變化以及水庫邊界對動水壓力波的吸收作用,對水壩地震動水壓力頻響函式以及動水壓力沿壩面分布規律的影響等,將壩水耦合振動的研究水準提到了一個新的高度。

混凝土壩上遊面裂縫浸水後水力劈裂對壩安全的影響是受到廣泛關註的問題。林皋院士等套用比例邊界有限元法建立的計算模型,可以方便而準確地計算裂縫內水壓變化規律對裂縫應力強度因子及斷裂特徵的影響,從而可對地震作用下裂縫的穩定性進行合理而恰當的評價。

傳統設計中將拱壩作為整體結構來計算地震回響,但實際上拱壩是分塊進行建造的。經受強震作用的美國柏柯依瑪拱壩的震害經驗表明,強震時拱壩橫縫將發生張合作用,拱向拉應力得到釋放,拱壩的地震應力隨之發生重大調整。林皋院士等在非光滑方程組基礎上開發的橫縫計算模型,較國內外現有模型計算精度高,收斂性有保證。拱壩的橫縫依靠鍵槽進行連線,但國內外現有的計算模型一般將橫縫簡化為平縫進行計算。林皋院士等對這種簡化的合理性進行了研究,發現橫縫鍵槽的結構形式對橫縫開度變化規律和拱壩地震應力變化均產生影響。

地震作用下壩基和壩肩潛在滑動體的穩定,國內外規範標準一般採用擬靜力的分析方法或紐馬克的剛性滑塊法進行分析,難以反映地震作用下滑動體變形瞬態、往復的特點。為此,林皋院士等改進了三維DDA模型的接觸判斷演算法,實現了三維楔形滑動體的地震動態穩定分析。結果表明,動態穩定與擬靜力穩定有本質差別,而且兩者的偏離程度隨著地震激勵加速度的增大而加大。研究成果應邀在2007年葡萄牙裏斯本召開的第5屆世界壩工會議上作為主題報告發表。

林皋院士等的研究工作還發展了混凝土壩地震損傷破壞進程的數值模擬方法與地震風險的計算模型和方法。

林皋院士小組對拱壩、重力壩地震作用的計算模型進行了全面的發展改進,使中國的大壩抗震技術進入世界先進行列,他的研究成果獲得教育部科學技術進步獎一等獎。

混凝土大壩的地震震害主要表現為動態損傷與斷裂,混凝土的動態強度與變形特徵成為大壩震害的控製性因素,但在當前混凝土壩的抗震研究中這卻是一個薄弱環節。混凝土的動態特徵表現為其速率敏感性。在地震、撞擊和爆炸等不同性質動態荷載的作用下,隨著載入速率的巨大變化,混凝土的動態特徵也隨之發生很大變化。20世紀50~60年代以後,由于軍事上的需要,混凝土動態特徵的研究在國際上得到很大發展。但這種研究主要偏重于反映核爆炸的特點:單調載入、小試件、以抗壓強度為主,套用于抗地震設計有其局限性。林皋院士等通過2000多試件的研究,率先得到了反映地震荷載特點的變幅、迴圈荷載條件下混凝土的動態強度與變形規律。又通過研究進一步發現了溫度、濕度等環境因素,以及初始靜態荷載幅度等因素對混凝土速率敏感性的影響。基于不同應變率下試件斷裂特徵的觀察分析,對混凝土速率敏感性的產生機理得到了新的認識。這些研究成果在ACI Materials Journal,Magazine of Concrete Research等著名刊物上發表,並應邀在Cement,Concrete and Composites: Processing, Properties and Applications一書中獨立撰寫一章介紹研究成果。

核電作為重要的清潔能源在中國正在得到蓬勃發展。核電廠地基的抗震適應性評價決定著核島結構和設備抗震設計的安全,是廠址選擇中的重要製約性因素。林皋院士擔負著中國許多核電廠址地基抗震適應性評價的任務。遼寧紅沿河核電廠3、4號核島地基開挖過程中發現強風化捕虜體,地基不均勻特徵表現比較突出。核島地基這種復雜地質情況在中國核電建設中首次遇到。國際上缺乏類似經驗,處理有相當難度。林皋院士小組提出的計算模型為核電廠復雜地基的抗震適應性評價提供了科學依據,節約了大量工程投資,並保障了施工進度得以按計畫進行。在此基礎上進一步認定了中國自主研發的壓水堆核電機組標準設計的廠址地基參數適應範圍,加速了中國核電的自主化進程。參數不確定性對核電結構和設備地震回響的影響也是核電廠地基抗震適應性評價的重要內容,林皋院士小組發展改進了地震動、地基和材料特徵不確定性的概率統計計算模型,使地基抗震適應性評價更接近實際,更為合理和科學。

林皋院士還帶領學生不斷深化比例邊界有限元這種高效精確的數值模擬方法研究,進一步開拓了其在電磁學和幾何等參等新領域中的套用,在國際交流中獲得比較高的評價。

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