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火车缓缓驶上武汉长江大桥,年轻的苑仁安紧贴车窗,目光被这座横跨天堑的钢铁巨龙深深吸引。那是2006年的夏天,他从家乡前往长沙求学,第一次亲眼见到“万里长江第一桥”的雄姿。江水奔涌,桥身巍然,那一刻他忽然意识到——人类用智慧与勇气征服自然的壮举,莫过于此。
“如果有一天,我也能参与建造这样的桥梁……”这个念头如同一颗饱满的种子,瞬间落入心田,生根发芽。彼时刚考入土木工程专业的他,对桥梁领域尚未萌生出特别的敏感与情愫,但武汉长江大桥的震撼一幕,让他找到了毕生为之奋斗的方向,那便是孜孜以求,追寻跨越天堑的“收敛解”(指在数值计算或数学分析中,随着计算参数的变化,计算结果逐渐趋于稳定并达到一定精度的解)。
二十载春秋流转,当年的青涩大学生,已成长为中铁大桥勘测设计院第一设计院副院长。他的职业生涯,与一座座世界级大桥紧密交织:沪苏通长江大桥、杨泗港长江大桥、荆州公铁长江大桥、铜陵长江三桥、常泰长江大桥……这些响彻国际桥梁界的名字,见证着他从懵懂学子到世界级桥梁设计者的华丽蜕变。
创新突破:精细化设计的技术革命
对苑仁安而言,武汉长江大桥不仅是交通枢纽,更是精神的灯塔。初次途经大桥的经历,成为他职业生涯的起点。
2013年研究生毕业后,他毫不犹豫地选择了中铁大桥院——这个孕育中国桥梁设计师的摇篮。
初出茅庐便赶上中国桥梁建设的黄金时代。他参与设计的沪苏通长江大桥被誉为“世界最大跨度公铁两用斜拉桥”。
在大桥设计中,他发现在斜拉桥理想成桥状态确定需要反复试算,且主梁线形很难调平,成为制约项目进展的关键技术难题。无数个深夜,办公室里灯火通明,他对着复杂的力学模型苦苦思索;无数个日夜,他反复思考无法调平的原因,不放过任何一个细节。最终,他成功研发出“非线性索力优化算法”,一举解决了困扰业界多年的技术瓶颈,为大桥的顺利建设奠定了坚实基础。
“桥梁设计不仅仅是冰冷的计算和枯燥的绘图,更是一种艺术,需要用心去感受结构的韵律。”苑仁安常常这样告诉团队的年轻人。从武汉长江大桥的震撼到亲手参与世界级大桥的设计,他完成了一个轮回,也开启着新的征程。
在常泰长江大桥的设计中,苑仁安遇到传统超高桥塔偏心距增大系数过于保守导致材料浪费的行业通病。他带领团队夜以继日地钻研,建立了考虑非线性效应和初始缺陷的偏心距增大系数方程。经过反复验算和试验,成功将偏心距增大系数计算精度提升45%。这一突破,不仅节约了大量宝贵的建筑材料,更为后续类似桥梁的设计提供了全新的思路和方法。
常泰长江大桥的设计任务,将苑仁安的创新能力推向了新高度。这座集城际铁路、高速公路、普通公路“三位一体”的超级工程,是世界最大跨度斜拉桥,其公铁非对称荷载及多功能断面布置带来了史无前例的技术挑战。
面对这一世界级难题,苑仁安跟随秦顺全院士,创新性地开发了“温度自适应塔梁纵向约束体系”等新结构,成功降低梁端位移30%,提高梁端伸缩装置的耐久性能,同时减小桥塔弯矩25%,有效降低了基础规模;创新设计的“三位一体”钢桁梁斜拉桥结构,有效集约了布局,减少两岸用地面积660亩,为保护绿水青山做出实实在在的贡献。
精准掌控:施工控制的技艺巅峰
千米级大桥的线形控制一直是世界性难题。传统的控制方法精度有限,无法满足现代大跨度桥梁的建设需求。苑仁安决心改变这一现状。
他将无应力状态法理论拓展至非线性结构,基于构件几何线性和几何非线性变形特征,定义了构件单元无应力构形与无应力状态量的关系,解决了利用构件单元无应力状态量可直接制造的问题。
更令人振奋的是,他首次建立了非线性结构的力学平衡方程和线形控制方程,创造性解决了常泰长江大桥恒载非对称结构的成桥线形、内力控制的难题。这意味着这座世界级大桥不仅能以完美的姿态横跨长江,而且其内部结构也非常健康、安全,能够承受长期使用的考验。
理论创新需要技术支撑。苑仁安带领团队研发了多项线形控制技术,就如同一套超高精度的“造桥导航系统”:用新的扫描工具代替传统测量工具,让测量精度达到“发丝级”;团队开发的数字拼装和线形调控技术,能够提前预测桥梁的变形趋势,从而主动调整,确保大桥能够严丝合缝对接;通过分析大桥在静止和振动下的数据,精准把控桥梁核心构件的参数状态。
这些技术在常泰长江大桥、铜陵长江三桥的成功应用,使得两座大桥贯通后线形精度均控制在5厘米以内,让建造千米级大桥像搭积木一样精准可控,将中国桥梁施工控制技术推向了世界领先水平。
突破瓶颈:从追随到引领的飞跃
边界非线性动力分析算法的突破,只是开始。苑仁安深知,在既有的边界非线性理论下,大跨度桥梁非线性动力分析在计算精度和计算效率上,仍面临根本性制约。要实现非线性动力分析技术的完全自主与领先,必须攻克更多技术堡垒。
他首次建立了全新的基于阻力平衡的[y1]非线性动力方程,构建了8种非线性单元数学模型,研发了自适应步长非线性迭代算法,实现了对非线性动力求解问题的超高精度和强收敛性。
同时,他带领团队成功开发了结构边界非线性动力分析软件。这一软件对于同类型千米级跨度桥梁,相比商业软件计算精度提升2个数量级,计算效率提高20倍以上,彻底打破了国外技术的垄断。
在大跨度铁路桥梁的设计中,采用常规方法所确定的梁端位移设计值往往远大于实际监测值,导致必须选用规格较大的梁端伸缩装置,不仅使伸缩装置更易发生损伤,还引起高速铁路桥梁限速通行等问题。
苑仁安针对这一技术难题,开展了系统的理论分析与大量计算研究,提出了考虑边界非线性效应的列车过桥计算方法,有效克服了常规方法的不足,将计算偏差从原来的50%显著降低至6%。
此外,他提出的结构动力体系设计方法,明确了斜拉桥、悬索桥等不同类型桥梁在列车过桥及地震等动力工况下的分析标准,有力推动了大跨度铁路桥梁项目的顺利建设。
十一年的坚守与创新,苑仁安交出一份亮眼的成绩单:获得授权国家发明专利35项;发表EI论文23篇;研究成果成功应用于常泰长江大桥、铜陵长江三桥、杨泗港长江大桥等数十座大型桥梁设计建造中,节约工程造价约9.5亿元;主持编制江苏省地方标准1项;获得省部级奖项8项,其中特等奖3项、一等奖4项、二等奖1项;先后获得“湖北省青年岗位能手”“湖北省向上向善好青年”“2024年度詹天佑中国中铁专项奖贡献奖”“中央企业优秀青年科技人才”等荣誉。
面对未来,苑仁安有着清晰的规划:“我们将继续深化大跨度缆索桥梁的设计理论,推动桥梁工程的智能化、数字化转型,同时更加注重桥梁与环境的和谐共生。”他的话语中充满了对未来的憧憬和信心。(吴楠)