2024-12-16 4253 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，動力隨著油泵開始傳輸，46條作動器形成共同推力，一場地震工程模擬試驗正式開啟……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（以下簡稱“地震大裝置”）實驗中心控制室內(nèi)，科研人員正在對新設(shè)計的建筑模型進行緊張的試驗。
就在不久前，我國地震工程領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——大型地震工程模擬研究設(shè)施在天津大學(xué)通過國家驗收并投入運行。地震大裝置配備了目前世界上臺面尺寸和載重量最大的地震模擬振動臺和世界首套可移動水下振動臺臺陣，可以觀測、分析工程結(jié)構(gòu)在地震中的破壞情況。
開展一場地震工程模擬試驗需要具備哪些試驗條件？地震大裝置的投入使用將給防震減災(zāi)工作帶來哪些幫助？請隨記者一起探訪我國在地震工程領(lǐng)域的首個國家重大科技基礎(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，充滿機遇和挑戰(zhàn)，有著“大科學(xué)裝置”之稱的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，正是推動重大科技創(chuàng)新的國之重器。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)濟社會發(fā)展和國家安全重大科技問題的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。
從北京正負電子對撞機到貴州“中國天眼”，從蘭州重離子加速器到“人造太陽”的實驗裝置“夸父”，截至目前，我國已布局建設(shè)77個國家重大科技基礎(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，專門研究工程結(jié)構(gòu)在地震中的抗震性能，簡單來說，就是研究在地震中各類工程可能遭受怎樣的破壞?！碧旖虼髮W(xué)大型地震工程模擬研究設(shè)施建設(shè)辦科學(xué)工藝部部長劉銘劼向記者介紹。
伴隨社會發(fā)展，水利、土木、海洋、交通、能源等領(lǐng)域的重大工程越來越多。我國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，地震活動頻度高、強度大，是世界上遭受地震威脅最為嚴(yán)重的國家之一。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。
大型地震模擬振動臺足尺鋼框架試驗。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、試驗研究、數(shù)值仿真等，但當(dāng)?shù)卣鹫嬲l(fā)生時，往往會有意想不到的情況。因此，振動模擬，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方法。然而，此前國內(nèi)外已有的地震模擬振動臺由于規(guī)模較小或試驗功能單一，難以滿足公共安全與工程建設(shè)重大需求。
經(jīng)過百余次論證，天津大學(xué)于2019年10月啟動地震大裝置建設(shè)。地震大裝置的總建筑面積為7.6萬平方米，主要包括兩個單體建筑——實驗中心和仿真中心。其中，實驗中心主要進行地震工程模擬試驗研究，仿真中心主要進行數(shù)值計算、可視化仿真等工作。地震大裝置可以觀測工程結(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。
試驗規(guī)模更大、精度更高，可實現(xiàn)水下雙臺地震、波浪、水流聯(lián)合模擬
走進地震大裝置實驗中心，最直觀的感受是，這是一個巨大的空間。室內(nèi)凈高31米，相當(dāng)于九層樓的高度，大型地震模擬振動臺區(qū)域有兩臺吊重500噸、跨度42米的雙梁橋式起重機，可以滿足大尺寸試驗?zāi)Ｐ瓦\輸安裝的需要。
在整個設(shè)施中，最核心的部分就是位于實驗中心的大型地震模擬振動臺和水下振動臺臺陣。
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，大型地震模擬振動臺的基礎(chǔ)埋深18米，是目前世界上臺面尺寸和載重量最大的振動臺。20米長、16米寬的臺面，載重能力最大可達1350噸，約等于20多輛重載卡車滿載時的重量。
在進行模型試驗時，模型尺寸越接近真實工程，試驗結(jié)果往往越準(zhǔn)確。以往，受到振動臺尺寸和載重量的限制，抗震性能試驗只能把建筑物等比例縮小，而這個大型地震模擬振動臺可以實現(xiàn)1∶1比例還原一棟七層樓高的建筑物。讓建筑物經(jīng)歷一場真正的地震，就能得到它最真實的振動響應(yīng)，這對于地震多發(fā)地區(qū)的工程結(jié)構(gòu)抗震性能提升極具科研價值。
在試驗過程中，大型地震模擬振動臺具體是如何工作的？
“我們在臺面下方放置了46條作動器，試驗中作動器可以模擬水平、垂直方向的地震動，影響放在臺面上的被測結(jié)構(gòu)模型，再通過臺面上的傳感器和周邊攝像頭獲取精準(zhǔn)的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)?？蒲腥藛T利用這些實測數(shù)據(jù)，可以研究出更具針對性的抗震性能提升方法。”朱然表示，試驗所用傳感器的精度非常高，比如測量結(jié)構(gòu)變形的傳感器，其最小測量值是0.1毫米。
在實驗中心另一側(cè)，水下振動臺臺陣和造波、造流設(shè)備被布置在一個長95米、寬69米的大水池內(nèi)。這是目前世界唯一一套可以實現(xiàn)水下雙臺地震、波浪、水流聯(lián)合模擬的試驗裝置，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)電等涉水的超級工程提供試驗環(huán)境，助力工程建設(shè)。
水下振動臺懸索橋試驗。天津大學(xué)供圖
未來，地震大裝置將一邊通過地震工程模擬試驗系統(tǒng)進行物理實驗，一邊通過高性能計算與智能仿真系統(tǒng)還原地震數(shù)據(jù)，推動災(zāi)后救助向災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變。
朱然介紹：“除了實驗中心的兩大物理試驗平臺之外，我們還在仿真中心配備了高性能計算與可視化智能仿真設(shè)備，對研究進行擴展?？梢暬悄芊抡嬖O(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)試驗過程實時數(shù)字孿生建模，幫助科研人員更有效地感知試驗進程，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)綜合集成管理、大數(shù)據(jù)分析以及開放共享?！?/p>
不僅能模擬驗證單個工程項目，還將助力地震工程領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問題研究
自大型地震工程模擬研究設(shè)施正式建成以來，項目團隊已經(jīng)接到了來自國內(nèi)建筑、交通、能源等行業(yè)多家公司、單位的“訂單”。
“這些試驗需求都是一對一個性化的。比如，某單位想造一座跨海大橋，就可以提前將相關(guān)設(shè)計圖紙或者等比例模型交給我們，我們利用地震大裝置對其需要測試的部分進行模擬試驗。在這一過程中，能發(fā)現(xiàn)哪些設(shè)計還可以優(yōu)化完善，這樣一來既能保障建筑安全，也能提升其建設(shè)的經(jīng)濟性?！眲憚抡f。
據(jù)了解，該項目團隊共有50余名科研人員。對奮斗在抗震研究一線的科學(xué)工作者來說，地震大裝置不光是一個實驗設(shè)施，也是他們研究的對象，其建設(shè)、運行、試驗都會產(chǎn)生很多科研課題。
科研人員在控制室操作振動臺系統(tǒng)。天津大學(xué)供圖
設(shè)計建設(shè)的過程也是工程科技攻關(guān)的過程。兩個大型設(shè)備要在地下10多米的基礎(chǔ)內(nèi)安全、精確、高效運行，需要多達7000余個工藝設(shè)備埋件，最大預(yù)埋件的單件重量超過10噸，安裝誤差不超過±1毫米。地震大裝置建設(shè)團隊已連續(xù)攻克重要技術(shù)難題40余項，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，通過了建安工程、工藝性能、固定資產(chǎn)、財務(wù)管理和項目檔案的全部專項驗收和國家驗收。
正式投入使用后，地震大裝置的作用不僅在于對單個工程項目的驗證，更在于助力地震工程領(lǐng)域關(guān)鍵科學(xué)問題的研究。
并不是所有工程都需要地震大裝置的模擬試驗。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)計了不少模型，希望借助該裝置的一系列試驗，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，從而提升整個行業(yè)的設(shè)計施工和運維能力，助力全社會的防震減災(zāi)工作?！?/p>
要模擬一場場強烈的地震，該裝置本身也成了一個巨大的振動源。在試驗時，如何減少對校內(nèi)日常教學(xué)生活及周邊地鐵等市政工程的影響？
“從選址開始，項目團隊就在這方面做了大量的研究工作。通過理論研究、仿真分析、設(shè)備運行實測等方式，我們提出了振動影響分析理論與控制方法，保障周邊區(qū)域?qū)崪y振動值滿足規(guī)范要求，確保校內(nèi)及周邊地區(qū)環(huán)境安全舒適。為解決實驗樓內(nèi)部振動的問題，我們提出半主動三維隔振技術(shù)，運用該技術(shù)減少關(guān)鍵位置的振動，確保建筑物內(nèi)部的安全?！敝烊徽f。
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