2024-12-16 4495 0
地震大裝置航拍圖。天津大學(xué)供圖
科研人員將地震的相關(guān)參數(shù)輸入控制臺(tái)，動(dòng)力隨著油泵開(kāi)始傳輸，46條作動(dòng)器形成共同推力，一場(chǎng)地震工程模擬試驗(yàn)正式開(kāi)啟……在位于天津大學(xué)北洋園校區(qū)的大型地震工程模擬研究設(shè)施（以下簡(jiǎn)稱“地震大裝置”）實(shí)驗(yàn)中心控制室內(nèi)，科研人員正在對(duì)新設(shè)計(jì)的建筑模型進(jìn)行緊張的試驗(yàn)。
就在不久前，我國(guó)地震工程領(lǐng)域首個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——大型地震工程模擬研究設(shè)施在天津大學(xué)通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收并投入運(yùn)行。地震大裝置配備了目前世界上臺(tái)面尺寸和載重量最大的地震模擬振動(dòng)臺(tái)和世界首套可移動(dòng)水下振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣，可以觀測(cè)、分析工程結(jié)構(gòu)在地震中的破壞情況。
開(kāi)展一場(chǎng)地震工程模擬試驗(yàn)需要具備哪些試驗(yàn)條件？地震大裝置的投入使用將給防震減災(zāi)工作帶來(lái)哪些幫助？請(qǐng)隨記者一起探訪我國(guó)在地震工程領(lǐng)域的首個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。
研究工程結(jié)構(gòu)抗震性能，更好滿足公共安全與工程建設(shè)重大需求
工欲善其事，必先利其器。當(dāng)前新一輪科技革命浪潮奔涌，充滿機(jī)遇和挑戰(zhàn)，有著“大科學(xué)裝置”之稱的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，正是推動(dòng)重大科技創(chuàng)新的國(guó)之重器。它們能為當(dāng)代科學(xué)家探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革提供極限研究手段，是突破科學(xué)前沿、解決經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全重大科技問(wèn)題的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。
從北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)到貴州“中國(guó)天眼”，從蘭州重離子加速器到“人造太陽(yáng)”的實(shí)驗(yàn)裝置“夸父”，截至目前，我國(guó)已布局建設(shè)77個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，涵蓋物理學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。
“目前已建成的大科學(xué)裝置多數(shù)以理論科學(xué)為研究對(duì)象，比如天文、高能物理，更偏向基礎(chǔ)理論。而地震大裝置屬于工程科學(xué)方面的科技基礎(chǔ)設(shè)施，專門(mén)研究工程結(jié)構(gòu)在地震中的抗震性能，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是研究在地震中各類工程可能遭受怎樣的破壞。”天津大學(xué)大型地震工程模擬研究設(shè)施建設(shè)辦科學(xué)工藝部部長(zhǎng)劉銘劼向記者介紹。
伴隨社會(huì)發(fā)展，水利、土木、海洋、交通、能源等領(lǐng)域的重大工程越來(lái)越多。我國(guó)地處世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大，是世界上遭受地震威脅最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。工程結(jié)構(gòu)的失效和破壞是造成地震中人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和發(fā)展受阻的重要原因。
搞清工程結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地提升其抵御地震破壞的能力，是防震減災(zāi)的重要措施。
大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)足尺鋼框架試驗(yàn)。天津大學(xué)供圖
劉銘劼介紹，地震工程的研究方法主要包括理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值仿真等，但當(dāng)?shù)卣鹫嬲l(fā)生時(shí)，往往會(huì)有意想不到的情況。因此，振動(dòng)模擬，即“人造地震”，是目前研究工程結(jié)構(gòu)抗震性能最直接有效的試驗(yàn)方法。然而，此前國(guó)內(nèi)外已有的地震模擬振動(dòng)臺(tái)由于規(guī)模較小或試驗(yàn)功能單一，難以滿足公共安全與工程建設(shè)重大需求。
經(jīng)過(guò)百余次論證，天津大學(xué)于2019年10月啟動(dòng)地震大裝置建設(shè)。地震大裝置的總建筑面積為7.6萬(wàn)平方米，主要包括兩個(gè)單體建筑——實(shí)驗(yàn)中心和仿真中心。其中，實(shí)驗(yàn)中心主要進(jìn)行地震工程模擬試驗(yàn)研究，仿真中心主要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、可視化仿真等工作。地震大裝置可以觀測(cè)工程結(jié)構(gòu)在地震中的損傷和破壞情況，幫助提升工程結(jié)構(gòu)抗震能力。
試驗(yàn)規(guī)模更大、精度更高，可實(shí)現(xiàn)水下雙臺(tái)地震、波浪、水流聯(lián)合模擬
走進(jìn)地震大裝置實(shí)驗(yàn)中心，最直觀的感受是，這是一個(gè)巨大的空間。室內(nèi)凈高31米，相當(dāng)于九層樓的高度，大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)區(qū)域有兩臺(tái)吊重500噸、跨度42米的雙梁橋式起重機(jī)，可以滿足大尺寸試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)輸安裝的需要。
在整個(gè)設(shè)施中，最核心的部分就是位于實(shí)驗(yàn)中心的大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)和水下振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣。
天津大學(xué)大型地震工程模擬研究設(shè)施建設(shè)辦副主任朱然介紹，大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)埋深18米，是目前世界上臺(tái)面尺寸和載重量最大的振動(dòng)臺(tái)。20米長(zhǎng)、16米寬的臺(tái)面，載重能力最大可達(dá)1350噸，約等于20多輛重載卡車滿載時(shí)的重量。
在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)，模型尺寸越接近真實(shí)工程，試驗(yàn)結(jié)果往往越準(zhǔn)確。以往，受到振動(dòng)臺(tái)尺寸和載重量的限制，抗震性能試驗(yàn)只能把建筑物等比例縮小，而這個(gè)大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)1∶1比例還原一棟七層樓高的建筑物。讓建筑物經(jīng)歷一場(chǎng)真正的地震，就能得到它最真實(shí)的振動(dòng)響應(yīng)，這對(duì)于地震多發(fā)地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)抗震性能提升極具科研價(jià)值。
在試驗(yàn)過(guò)程中，大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)具體是如何工作的？
“我們?cè)谂_(tái)面下方放置了46條作動(dòng)器，試驗(yàn)中作動(dòng)器可以模擬水平、垂直方向的地震動(dòng)，影響放在臺(tái)面上的被測(cè)結(jié)構(gòu)模型，再通過(guò)臺(tái)面上的傳感器和周邊攝像頭獲取精準(zhǔn)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)?？蒲腥藛T利用這些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以研究出更具針對(duì)性的抗震性能提升方法。”朱然表示，試驗(yàn)所用傳感器的精度非常高，比如測(cè)量結(jié)構(gòu)變形的傳感器，其最小測(cè)量值是0.1毫米。
在實(shí)驗(yàn)中心另一側(cè)，水下振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣和造波、造流設(shè)備被布置在一個(gè)長(zhǎng)95米、寬69米的大水池內(nèi)。這是目前世界唯一一套可以實(shí)現(xiàn)水下雙臺(tái)地震、波浪、水流聯(lián)合模擬的試驗(yàn)裝置，可以在3米水深下工作。水池兩邊配備了造波、造流設(shè)備，波高可達(dá)0.5米，能為跨海大橋、海底隧道、水工大壩和海上風(fēng)電等涉水的超級(jí)工程提供試驗(yàn)環(huán)境，助力工程建設(shè)。
水下振動(dòng)臺(tái)懸索橋試驗(yàn)。天津大學(xué)供圖
未來(lái)，地震大裝置將一邊通過(guò)地震工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，一邊通過(guò)高性能計(jì)算與智能仿真系統(tǒng)還原地震數(shù)據(jù)，推動(dòng)災(zāi)后救助向?yàn)?zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變。
朱然介紹：“除了實(shí)驗(yàn)中心的兩大物理試驗(yàn)平臺(tái)之外，我們還在仿真中心配備了高性能計(jì)算與可視化智能仿真設(shè)備，對(duì)研究進(jìn)行擴(kuò)展?？梢暬悄芊抡嬖O(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)字孿生建模，幫助科研人員更有效地感知試驗(yàn)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)綜合集成管理、大數(shù)據(jù)分析以及開(kāi)放共享?！?/p>
不僅能模擬驗(yàn)證單個(gè)工程項(xiàng)目，還將助力地震工程領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題研究
自大型地震工程模擬研究設(shè)施正式建成以來(lái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已經(jīng)接到了來(lái)自國(guó)內(nèi)建筑、交通、能源等行業(yè)多家公司、單位的“訂單”。
“這些試驗(yàn)需求都是一對(duì)一個(gè)性化的。比如，某單位想造一座跨海大橋，就可以提前將相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙或者等比例模型交給我們，我們利用地震大裝置對(duì)其需要測(cè)試的部分進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在這一過(guò)程中，能發(fā)現(xiàn)哪些設(shè)計(jì)還可以優(yōu)化完善，這樣一來(lái)既能保障建筑安全，也能提升其建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性?！眲憚抡f(shuō)。
據(jù)了解，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)共有50余名科研人員。對(duì)奮斗在抗震研究一線的科學(xué)工作者來(lái)說(shuō)，地震大裝置不光是一個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)施，也是他們研究的對(duì)象，其建設(shè)、運(yùn)行、試驗(yàn)都會(huì)產(chǎn)生很多科研課題。
科研人員在控制室操作振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。天津大學(xué)供圖
設(shè)計(jì)建設(shè)的過(guò)程也是工程科技攻關(guān)的過(guò)程。兩個(gè)大型設(shè)備要在地下10多米的基礎(chǔ)內(nèi)安全、精確、高效運(yùn)行，需要多達(dá)7000余個(gè)工藝設(shè)備埋件，最大預(yù)埋件的單件重量超過(guò)10噸，安裝誤差不超過(guò)±1毫米。地震大裝置建設(shè)團(tuán)隊(duì)已連續(xù)攻克重要技術(shù)難題40余項(xiàng)，目前已經(jīng)順利完成土建工程建設(shè)和工藝設(shè)備安裝調(diào)試，通過(guò)了建安工程、工藝性能、固定資產(chǎn)、財(cái)務(wù)管理和項(xiàng)目檔案的全部專項(xiàng)驗(yàn)收和國(guó)家驗(yàn)收。
正式投入使用后，地震大裝置的作用不僅在于對(duì)單個(gè)工程項(xiàng)目的驗(yàn)證，更在于助力地震工程領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的研究。
并不是所有工程都需要地震大裝置的模擬試驗(yàn)。要保證其抗震性能，一套成熟規(guī)范的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵。
劉銘劼向記者介紹：“我們自己設(shè)計(jì)了不少模型，希望借助該裝置的一系列試驗(yàn)，提煉出科學(xué)成果，再把科學(xué)成果變成工程行業(yè)的規(guī)范，從而提升整個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)施工和運(yùn)維能力，助力全社會(huì)的防震減災(zāi)工作?！?/p>
要模擬一場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)烈的地震，該裝置本身也成了一個(gè)巨大的振動(dòng)源。在試驗(yàn)時(shí)，如何減少對(duì)校內(nèi)日常教學(xué)生活及周邊地鐵等市政工程的影響？
“從選址開(kāi)始，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)就在這方面做了大量的研究工作。通過(guò)理論研究、仿真分析、設(shè)備運(yùn)行實(shí)測(cè)等方式，我們提出了振動(dòng)影響分析理論與控制方法，保障周邊區(qū)域?qū)崪y(cè)振動(dòng)值滿足規(guī)范要求，確保校內(nèi)及周邊地區(qū)環(huán)境安全舒適。為解決實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)部振動(dòng)的問(wèn)題，我們提出半主動(dòng)三維隔振技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)減少關(guān)鍵位置的振動(dòng)，確保建筑物內(nèi)部的安全?！敝烊徽f(shuō)。
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