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我国地震工程领域首个大科学装置落户天津
2018-09-12 10:38:49    华夏经纬网

大跨桥梁水下振动台台阵波流耦合试验效果图

设施总体鸟瞰图

大型水坝-库水-岩体大型振动台试验效果图

  近日,我国地震工程领域首个国家重大科技基础设施──大型地震工程模拟研究设施由国家发改委正式批复立项。该设施由天津大学牵头在天津启动建设,是迄今为止在天津建设的首个国家重大科技基础设施,这也是党的十八大以来,继贵州“天眼”(FAST)、广东散裂中子源、上海光源线站等之后,我国投入巨资打造的又一“国之重器”。

  地震工程大科学装置从一个侧面折射出一个国家的创新潜力,让我们感受到国家综合实力的不断提升,同时也看到天津高校深厚的学术底蕴。面对这些“高大上”的项目,我们除了想一窥究竟,了解更多相关领域的知识或已成为大科学背后的一股浪潮。

  “天眼”的亮相点燃了人们对宇宙的好奇心,其后科普旅游成为一个热词。地震工程大科学装置是否能燃起下一个兴奋点,结果虽然还要等到5年之后,但不妨碍我们在这里,先走出科学的殿堂,迈进科普的海洋,了解一下关于地震的那些事儿……

  大型地震工程模拟研究设施在津启建

  据该项目总指挥及首席科学家、天津大学校长钟登华院士介绍,大型地震工程模拟研究设施选址在天津大学北洋园校区内,总建筑面积7.7万平方米,建设周期为5年,总投资15亿元以上。目前,该项目正在做可行性研究报告,待报告通过后将进行相关设计工作,然后才能开工建设。预计此设施将于2019年动工,2023年建成,建成后将在未来20年内保持世界领先。

  这项“大科学装置”建设内容主要包括三大系统:地震工程模拟试验系统、高性能计算与智能仿真系统、试验配套与共享系统。据资料显示,主要建设内容包括:大型地震模拟振动台,三向六自由度(指这种振动台既可以水平向振动,也可以产生竖向振动,并且可以产生不同方向的转动),台面尺寸20米×16米,载重1350吨;水下双子台可移动振动台台阵,三向六自由度,台面尺寸6米×6米,移动范围45米;试验水池,最大水深3米,可模拟波浪、海流(河流)等复杂水动力环境;以及测试、计算、智能仿真设备。

  此项目建成后,将成为目前世界规模最大、功能最强的重大工程抗震模拟研究设施,对于保障土木、水利、海洋、交通等重大工程的安全具有重要意义,有利于减少地震灾害损失、减轻地震灾害风险,全面提升抵御自然灾害的综合防范能力。

  大型地震工程模拟研究设施的建设涉及众多领域和多学科交叉,如:水利工程、土木工程、船舶与海洋工程、力学、控制科学与工程、机械工程、精密仪器科学、计算机科学、材料科学与工程、防灾安全等。天津大学具有悠久的办学历史和深厚的学术底蕴,学科门类齐全,科研实力雄厚,拥有4个国家重点实验室,具有丰富的科研设施建设管理经验,可为这一重大科研设施的建设与运行管理提供有力保障。

  搞清工程结构薄弱环节 抵御地震破坏力

  地震是一种我们既熟悉又陌生的自然灾害,我国是世界地震多发国家。由于目前的科学技术手段还无法准确预报地震发生的时间、地点和强度,因此,面对多地震的国情和潜在的地震灾害,研究如何防御和减轻地震灾害的损失就显得至关重要。

  中国工程院院士、中国地震局工程力学研究所名誉所长谢礼立研究员指出,工程结构的失效和倒塌是造成地震中人员伤亡、财产损失和发展受阻的最重要原因。因此,搞清工程结构的抗震薄弱环节,从而有效提升其抵御地震破坏力,是当前重大工程建设中亟待破解的难题。

  我国的防震减灾工作采取的是“以防为主,防抗救相结合”的方针。借鉴和吸取国内外在应对地震灾害中的经验和教训,提高全民族的防震减灾意识,提高抵御地震灾害的能力,这是我们所努力的方向。尤其对于地震活动强的地区,提高地震抗震设防的标准,提前把地下结构搞清楚,把地上建筑弄结实,即使是大地震来了,只要房屋、桥梁等工程结构不倒,人员的伤亡就会少很多。

  正是基于以防为主的防震减灾理念和思维,地震工程模拟研究设施应运而生。

  据有关资料显示,地震本身不会造成伤害,大多数灾害实际上并不是由地面振动引起的,而工程结构物(房屋、桥梁、水利工程、港口工程、海洋工程等一切人造的装置)在地震中的损伤破坏则会造成大量灾害。随着我国科技实力的不断提升和经济社会发展需求的日益增长,高层建筑、跨海大桥、大型水利水电工程、超长隧道、海底管线、海上风电、海上平台、大型核电等重大工程越来越多,这些重大建设项目的抗震安全对高水平地震工程模拟研究设施的建设提出了迫切需求。

  地震模拟振动台是开展抗震模拟研究的有效试验平台。目前国内外已有的地震模拟振动台大多不能同时模拟地震与其他多种灾害共同作用下的有效荷载,已经难以满足一旦地震灾害发生时确保工程安全和正常服役的实际需要。

  在天津大学牵头建设的这项大型地震工程模拟研究设施中,将建设尺寸和载重量更大的地震模拟振动台,而且通过振动台台阵试验装置,能够同时模拟地震与水下波流耦合产生的破坏作用。因此,该设施建成后,可大幅提升我国工程技术领域的创新能力和水平,为重大工程安全保驾护航,对我国工程科技进步发挥重要作用。

  开展工程抗震科研 服务工程建设需求

  据项目筹备组介绍,这一地震工程模拟研究设施,主要用于开展工程抗震领域基础科学研究等科研项目,也可面向社会开展服务、满足工程建设需求。

  地震模拟振动台,有一个刚性台面用来放置工程结构模型,台面运动起来后,能够与实际地震的动力效应基本相同,利用其进行地震模拟振动台试验,能够准确地复现各种形式的地震波,并可进行前后、左右、上下的三维震动,模拟地震过程,满足不同的地震模拟试验的要求,从而研究试验结构的动力特性以及抗震性能,看看建筑模型中的房屋、桥梁、水利装置等的响应情况以及它们会不会产生破坏现象,从而有助于揭示工程结构地震破坏机理,提高工程结构地震安全性,从根本上起到防震减灾的目的。

  此外,由于地震产生的振动像水波一样,是从震源向四周扩散的,地震波随着空间分布所产生的差异对结构物是有影响的。该“大科学装置”具备振动台台阵系统,即多个振动台同时工作,每个振动台可以产生特定的地震波形,这样就可以模拟地震波的空间差异性产生的影响。

  该系统主要用于土木工程、交通工程、水利工程、海洋工程、能源工程等大型工程结构以及电力、通信、核电等机电设备抗震性能试验,用户只需根据试验要求及结构特点等因素,在建筑物结构模型上布置数量不等的测点,通过采集这些测点的地震反应(如加速度、位移、动应力等)来研究整体结构和主要构件在地震作用下的受力状态和响应规律。

  这一大型地震工程模拟研究设施建成后,将面向全世界开放,实行设施、数据、成果共享。高校、科研院所、企业等相关领域的专家学者都可以来做实验,或利用该设施产生的数据、成果等开展科学研究,产生更多科技进步。该设施也存有预留空间,可供未来科研进一步扩展。这些都可以吸引世界上更多的科学家和工程技术专家来这里共同工作,指导提高防震减灾技术,为人类科学技术发展作出贡献。

  ■ 相关链接

  目前世界上最大的地震模拟振动台

  目前世界上最大的振动台E-Defense是日本建造的,名字的意思就是“地震防御”。据了解,该振动台的台面尺寸15米×20米,可承载1200吨,因此可以按照建筑物的实际尺寸建造试验模型(当然试验模型的平面尺寸不能超过振动台台面的大小),这样可以更真实地再现建筑结构的抗震能力和破坏特征,有助于科学家们研发更有效的减震技术。

  大型地震工程模拟研究设施

  三大系统

  ◆ 地震工程模拟试验系统

  ◆ 高性能计算与智能仿真系统

  ◆ 试验配套与共享系统

  主要建设内容

  ◆ 大型地震模拟振动台

  三向六自由度,台面尺寸20米×16米,载重1350吨

  ◆ 水下双子台可移动振动台台阵

  三向六自由度,台面尺寸6米×6米,移动范围45米

  ◆ 试验水池

  最大水深3米,可模拟波浪等复杂水动力环境

  ◆ 测试、计算、智能仿真设备

  地震离我们有多远?

  地震似乎离我们日常生活很遥远,但根据天津地震台网记录,2017年发生在天津境内的地震有10次,最大地震为2017年3月16日天津西青2.0级地震,大多都属于无感地震。今年至今天津境内共发生1级以上地震9次,最大的一次发生在蓟州区,震级为2.2级,同样也是无感地震。虽然3.0级以下的无感地震很难被人们察觉,但科学却指出它就在我们身边。天津地震局监测预报中心高级工程师谭毅培介绍,断层的突发性错动是产生地震的主要原因,断层大规模的错动引发大地震,而局部微小的错动则会引发中小地震。天津地处河北平原地震带与张家口—渤海地震带的交汇部位,境内分布多条活动断层,其经常性的微小错动引发一定数量的中小地震,而同时这些断层也具备发生破坏性地震的构造背景。

  了解更多地震知识与所处的环境,拉近与地震之间的距离,其实是我们与科学并肩而行。而说到对地震的研究,我市地震监测预报水平也已处在全国领先位置,据了解,目前我市已建成了地震测震台点31个、强震动及简易烈度计台点200个、前兆台点16个、GNSS台点12个,组成了立体式、数字化、网络化的四大地震监测台网。组建了60个台站组成的环渤海虚拟台网。天津城区地震监测能力达到了1.0级,就是人们感觉不到的微小地震也不会被监测系统放过,实现了3分钟内完成自动速报。

  去哪感受真实“地震”?

  天津自然博物馆三层展区西侧的天津市防震减灾科普教育基地展厅,占地面积728平方米,五个展区分别为展厅序厅、地震知识展区、防震减灾展区、公众服务区及展厅尾厅。其中,除了传统的文字及图片展览,展馆最大的特点是拥有多达20台可供观众动手操作体验的互动展品,它们运用最新的计算机投影及拼接技术、水雾成像技术、全息投影技术、动作捕捉技术等高科技手段,可剖析地震原理、还原地震场景。

  防震减灾模拟体验小屋无疑可为市民提供一次最为真实的感受。据展厅工作人员介绍,观众可在此小屋中感受地震的发生,亲身体会地震来临时身体的感受,并能在感受完地震后,穿过模拟震后倾斜的逃生通道、躲避烟雾等机关,进行地震逃生训练。

  地震虚拟场景逃生训练系统,则是采用计算机虚拟实景技术和3D建模技术模拟出地震后的真实场景,通过动作捕捉技术侦测观众的行动,让观众通过游戏的方式学习地震发生后的各种逃生和自救知识。

  在天津市科技馆建馆一层展厅,同样也有一间模拟地震小屋,早在2009年就已投入使用。据展馆讲解员介绍,由于小屋入展时间相对较长,曾经摆放在里面的桌椅、卫生间等道具都存在老化问题,考虑到安全因素,目前只剩下空荡荡的房间,不过参观者仍可在小屋中体验6级地震的震感,同时讲解员也会介绍相关的避险知识。

  发生地震怎么办?

  面对自然灾害如何避险,不仅对于成年人,对于孩子们来说同样也应是尽早学习了解的知识。在采访中对于这个问题,记者随机采访了几位小朋友:发生地震时该怎么办?

  家住河西区6岁的皮皮说:开门出去往楼下跑,因为这样会比较快。这时站在他旁边的妈妈听了笑道:“皮皮,咱家可住在18楼啊!”正在小学读书的8岁的亮亮认为,躲在桌子底下最安全。而当记者追问他为什么时,亮亮的妈妈说道:“甭问了,他都不知道嘛叫地震。”13岁的佳佳的回答是“躲在墙角”,并且她说学校会组织火灾逃生演习,但在地震中如何避险,老师讲的并不多。

  孩子们的质朴回答,不禁让人感到有关地震科普知识的重要性。那么,在地震应急避险中,我们应该知道哪些呢? 谭毅培提到了以下几个方面:我们遇到的地震事件,有感和强有感地震是绝大多数,破坏性地震是极少数。当遇到有感和强有感地震时,要沉着冷静,千万不要惊慌失措,要因地制宜地选择正确的方法避震。

  一、在楼房中:迅速远离外墙及其门窗,可选择厨房、浴室、厕所、楼梯间等开间小而不易塌落的空间避震,千万不要外逃或从楼上跳下,也不能使用电梯。

  二、在户外:要避开高大建筑物,要远离高压线及石化、化学、煤气等有毒的工厂或设施。在过桥时应紧紧抓住桥栏杆,待主震发生后即向桥头移动,正在行驶的车辆应紧急刹车。

  三、在工作间:应迅速关掉电源开关、闸门,然后就近选择机器、设备、办公家具或事先建立的“安全岛”内避震,并防止次生灾害的发生。

  四、在公共场所:如车站、剧院、教室、商店、候车室、地铁等场所的人员,切忌乱逃,要保持冷静,就地择物(排椅、柜架等物)躲避,伏而待定,然后听从指挥,有序撤离。

  五、在有毒气的化工厂区域内:要朝污染源的上风处跑,以免中毒。(姜凝 刘一博 王萍)

来源: 天津日报  转自:新华网