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我國地震工程領域首個大科學裝置落戶天津
2018-09-12 10:38:49    華夏經緯網

大跨橋梁水下振動臺臺陣波流耦合試驗效果圖

設施總體鳥瞰圖

大型水壩-庫水-岩體大型振動臺試驗效果圖

  近日,我國地震工程領域首個國家重大科技基礎設施──大型地震工程模擬研究設施由國家發改委正式批復立項。該設施由天津大學牽頭在天津啟動建設,是迄今為止在天津建設的首個國家重大科技基礎設施,這也是黨的十八大以來,繼貴州“天眼”(FAST)、廣東散裂中子源、上海光源線站等之後,我國投入鉅資打造的又一“國之重器”。

  地震工程大科學裝置從一個側面折射出一個國家的創新潛力,讓我們感受到國家綜合實力的不斷提升,同時也看到天津高校深厚的學術底蘊。面對這些“高大上”的項目,我們除了想一窺究竟,了解更多相關領域的知識或已成為大科學背後的一股浪潮。

  “天眼”的亮相點燃了人們對宇宙的好奇心,其後科普旅遊成為一個熱詞。地震工程大科學裝置是否能燃起下一個興奮點,結果雖然還要等到5年之後,但不妨礙我們在這裡,先走出科學的殿堂,邁進科普的海洋,了解一下關於地震的那些事兒……

  大型地震工程模擬研究設施在津啟建

  據該項目總指揮及首席科學家、天津大學校長鐘登華院士介紹,大型地震工程模擬研究設施選址在天津大學北洋園校區內,總建築面積7.7萬平方米,建設週期為5年,總投資15億元以上。目前,該項目正在做可行性研究報告,待報告通過後將進行相關設計工作,然後才能開工建設。預計此設施將於2019年動工,2023年建成,建成後將在未來20年內保持世界領先。

  這項“大科學裝置”建設內容主要包括三大系統:地震工程模擬試驗系統、高性能計算與智慧倣真系統、試驗配套與共用系統。據資料顯示,主要建設內容包括:大型地震模擬振動臺,三向六自由度(指這種振動臺既可以水準向振動,也可以產生豎向振動,並且可以產生不同方向的轉動),臺面尺寸20米×16米,載重1350噸;水下雙子臺可移動振動臺臺陣,三向六自由度,臺面尺寸6米×6米,移動範圍45米;試驗水池,最大水深3米,可模擬波浪、海流(河流)等複雜水動力環境;以及測試、計算、智慧倣真設備。

  此項目建成後,將成為目前世界規模最大、功能最強的重大工程抗震模擬研究設施,對於保障土木、水利、海洋、交通等重大工程的安全具有重要意義,有利於減少地震災害損失、減輕地震災害風險,全面提升抵禦自然災害的綜合防範能力。

  大型地震工程模擬研究設施的建設涉及眾多領域和多學科交叉,如:水利工程、土木工程、船舶與海洋工程、力學、控制科學與工程、機械工程、精密儀器科學、電腦科學、材料科學與工程、防災安全等。天津大學具有悠久的辦學歷史和深厚的學術底蘊,學科門類齊全,科研實力雄厚,擁有4個國家重點實驗室,具有豐富的科研設施建設管理經驗,可為這一重大科研設施的建設與運行管理提供有力保障。

  搞清工程結構薄弱環節 抵禦地震破壞力

  地震是一種我們既熟悉又陌生的自然災害,我國是世界地震多發國家。由於目前的科學技術手段還無法準確預報地震發生的時間、地點和強度,因此,面對多地震的國情和潛在的地震災害,研究如何防禦和減輕地震災害的損失就顯得至關重要。

  中國工程院院士、中國地震局工程力學研究所名譽所長謝禮立研究員指出,工程結構的失效和倒塌是造成地震中人員傷亡、財產損失和發展受阻的最重要原因。因此,搞清工程結構的抗震薄弱環節,從而有效提升其抵禦地震破壞力,是當前重大工程建設中亟待破解的難題。

  我國的防震減災工作採取的是“以防為主,防抗救相結合”的方針。借鑒和吸取國內外在應對地震災害中的經驗和教訓,提高全民族的防震減災意識,提高抵禦地震災害的能力,這是我們所努力的方向。尤其對於地震活動強的地區,提高地震抗震設防的標準,提前把地下結構搞清楚,把地上建築弄結實,即使是大地震來了,只要房屋、橋梁等工程結構不倒,人員的傷亡就會少很多。

  正是基於以防為主的防震減災理念和思維,地震工程模擬研究設施應運而生。

  據有關資料顯示,地震本身不會造成傷害,大多數災害實際上並不是由地面振動引起的,而工程結構物(房屋、橋梁、水利工程、港口工程、海洋工程等一切人造的裝置)在地震中的損傷破壞則會造成大量災害。隨著我國科技實力的不斷提升和經濟社會發展需求的日益增長,高層建築、跨海大橋、大型水利水電工程、超長隧道、海底管線、海上風電、海上平臺、大型核電等重大工程越來越多,這些重大建設項目的抗震安全對高水準地震工程模擬研究設施的建設提出了迫切需求。

  地震模擬振動臺是開展抗震模擬研究的有效試驗平臺。目前國內外已有的地震模擬振動臺大多不能同時模擬地震與其他多種災害共同作用下的有效荷載,已經難以滿足一旦地震災害發生時確保工程安全和正常服役的實際需要。

  在天津大學牽頭建設的這項大型地震工程模擬研究設施中,將建設尺寸和載重量更大的地震模擬振動臺,而且通過振動臺臺陣試驗裝置,能夠同時模擬地震與水下波流耦合產生的破壞作用。因此,該設施建成後,可大幅提升我國工程技術領域的創新能力和水準,為重大工程安全保駕護航,對我國工程科技進步發揮重要作用。

  開展工程抗震科研 服務工程建設需求

  據項目籌備組介紹,這一地震工程模擬研究設施,主要用於開展工程抗震領域基礎科學研究等科研項目,也可面向社會開展服務、滿足工程建設需求。

  地震模擬振動臺,有一個剛性臺面用來放置工程結構模型,臺面運動起來後,能夠與實際地震的動力效應基本相同,利用其進行地震模擬振動臺試驗,能夠準確地復現各種形式的地震波,並可進行前後、左右、上下的三維震動,模擬地震過程,滿足不同的地震模擬試驗的要求,從而研究試驗結構的動力特性以及抗震性能,看看建築模型中的房屋、橋梁、水利裝置等的響應情況以及它們會不會產生破壞現象,從而有助於揭示工程結構地震破壞機理,提高工程結構地震安全性,從根本上起到防震減災的目的。

  此外,由於地震產生的振動像水波一樣,是從震源向四週擴散的,地震波隨著空間分佈所產生的差異對結構物是有影響的。該“大科學裝置”具備振動臺臺陣系統,即多個振動臺同時工作,每個振動臺可以產生特定的地震波形,這樣就可以模擬地震波的空間差異性產生的影響。

  該系統主要用於土木工程、交通工程、水利工程、海洋工程、能源工程等大型工程結構以及電力、通信、核電等機電設備抗震性能試驗,用戶只需根據試驗要求及結構特點等因素,在建築物結構模型上佈置數量不等的測點,通過採集這些測點的地震反應(如加速度、位移、動應力等)來研究整體結構和主要構件在地震作用下的受力狀態和響應規律。

  這一大型地震工程模擬研究設施建成後,將面向全世界開放,實行設施、數據、成果共用。高校、科研院所、企業等相關領域的專家學者都可以來做實驗,或利用該設施產生的數據、成果等開展科學研究,產生更多科技進步。該設施也存有預留空間,可供未來科研進一步擴展。這些都可以吸引世界上更多的科學家和工程技術專家來這裡共同工作,指導提高防震減災技術,為人類科學技術發展作出貢獻。

  ■ 相關鏈結

  目前世界上最大的地震模擬振動臺

  目前世界上最大的振動臺E-Defense是日本建造的,名字的意思就是“地震防禦”。據了解,該振動臺的臺面尺寸15米×20米,可承載1200噸,因此可以按照建築物的實際尺寸建造試驗模型(當然試驗模型的平面尺寸不能超過振動臺臺面的大小),這樣可以更真實地再現建築結構的抗震能力和破壞特徵,有助於科學家們研發更有效的減震技術。

  大型地震工程模擬研究設施

  三大系統

  ◆ 地震工程模擬試驗系統

  ◆ 高性能計算與智慧倣真系統

  ◆ 試驗配套與共用系統

  主要建設內容

  ◆ 大型地震模擬振動臺

  三向六自由度,臺面尺寸20米×16米,載重1350噸

  ◆ 水下雙子臺可移動振動臺臺陣

  三向六自由度,臺面尺寸6米×6米,移動範圍45米

  ◆ 試驗水池

  最大水深3米,可模擬波浪等複雜水動力環境

  ◆ 測試、計算、智慧倣真設備

  地震離我們有多遠?

  地震似乎離我們日常生活很遙遠,但根據天津地震臺網記錄,2017年發生在天津境內的地震有10次,最大地震為2017年3月16日天津西青2.0級地震,大多都屬於無感地震。今年至今天津境內共發生1級以上地震9次,最大的一次發生在薊州區,震級為2.2級,同樣也是無感地震。雖然3.0級以下的無感地震很難被人們察覺,但科學卻指出它就在我們身邊。天津地震局監測預報中心高級工程師譚毅培介紹,斷層的突發性錯動是產生地震的主要原因,斷層大規模的錯動引發大地震,而局部微小的錯動則會引發中小地震。天津地處河北平原地震帶與張家口—渤海地震帶的交匯部位,境內分佈多條活動斷層,其經常性的微小錯動引發一定數量的中小地震,而同時這些斷層也具備發生破壞性地震的構造背景。

  了解更多地震知識與所處的環境,拉近與地震之間的距離,其實是我們與科學並肩而行。而說到對地震的研究,我市地震監測預報水準也已處在全國領先位置,據了解,目前我市已建成了地震測震臺點31個、強震動及簡易烈度計臺點200個、前兆臺點16個、GNSS臺點12個,組成了立體式、數字化、網路化的四大地震監測臺網。組建了60個臺站組成的環渤海虛擬臺網。天津城區地震監測能力達到了1.0級,就是人們感覺不到的微小地震也不會被監測系統放過,實現了3分鐘內完成自動速報。

  去哪感受真實“地震”?

  天津自然博物館三層展區西側的天津市防震減災科普教育基地展廳,佔地面積728平方米,五個展區分別為展廳序廳、地震知識展區、防震減災展區、公眾服務區及展廳尾廳。其中,除了傳統的文字及圖片展覽,展館最大的特點是擁有多達20台可供觀眾動手操作體驗的互動展品,它們運用最新的電腦投影及拼接技術、水霧成像技術、全息投影技術、動作捕捉技術等高科技手段,可剖析地震原理、還原地震場景。

  防震減災模擬體驗小屋無疑可為市民提供一次最為真實的感受。據展廳工作人員介紹,觀眾可在此小屋中感受地震的發生,親身體會地震來臨時身體的感受,並能在感受完地震後,穿過模擬震後傾斜的逃生通道、躲避煙霧等機關,進行地震逃生訓練。

  地震虛擬場景逃生訓練系統,則是採用電腦虛擬實景技術和3D建模技術模擬出地震後的真實場景,通過動作捕捉技術偵測觀眾的行動,讓觀眾通過遊戲的方式學習地震發生後的各種逃生和自救知識。

  在天津市科技館建館一層展廳,同樣也有一間模擬地震小屋,早在2009年就已投入使用。據展館講解員介紹,由於小屋入展時間相對較長,曾經擺放在堶悸漁鉥、衛生間等道具都存在老化問題,考慮到安全因素,目前只剩下空蕩蕩的房間,不過參觀者仍可在小屋中體驗6級地震的震感,同時講解員也會介紹相關的避險知識。

  發生地震怎麼辦?

  面對自然災害如何避險,不僅對於成年人,對於孩子們來說同樣也應是儘早學習了解的知識。在採訪中對於這個問題,記者隨機採訪了幾位小朋友:發生地震時該怎麼辦?

  家住河西區6歲的皮皮說:開門出去往樓下跑,因為這樣會比較快。這時站在他旁邊的媽媽聽了笑道:“皮皮,咱家可住在18樓啊!”正在小學讀書的8歲的亮亮認為,躲在桌子底下最安全。而當記者追問他為什麼時,亮亮的媽媽說道:“甭問了,他都不知道嘛叫地震。”13歲的佳佳的回答是“躲在晲丑芋A並且她說學校會組織火災逃生演習,但在地震中如何避險,老師講的並不多。

  孩子們的質樸回答,不禁讓人感到有關地震科普知識的重要性。那麼,在地震應急避險中,我們應該知道哪些呢? 譚毅培提到了以下幾個方面:我們遇到的地震事件,有感和強有感地震是絕大多數,破壞性地震是極少數。當遇到有感和強有感地震時,要沉著冷靜,千萬不要驚慌失措,要因地制宜地選擇正確的方法避震。

  一、在樓房中:迅速遠離外暀峔銂驧﹛A可選擇廚房、浴室、廁所、樓梯間等開間小而不易塌落的空間避震,千萬不要外逃或從樓上跳下,也不能使用電梯。

  二、在戶外:要避開高大建築物,要遠離高壓線及石化、化學、煤氣等有毒的工廠或設施。在過橋時應緊緊抓住橋欄杆,待主震發生後即向橋頭移動,正在行駛的車輛應緊急剎車。

  三、在工作間:應迅速關掉電源開關、閘門,然後就近選擇機器、設備、辦公傢具或事先建立的“安全島”內避震,並防止次生災害的發生。

  四、在公共場所:如車站、劇院、教室、商店、候車室、地鐵等場所的人員,切忌亂逃,要保持冷靜,就地擇物(排椅、櫃架等物)躲避,伏而待定,然後聽從指揮,有序撤離。

  五、在有毒氣的化工廠區域內:要朝污染源的上風處跑,以免中毒。(姜凝 劉一博 王萍)

來源: 天津日報  轉自:新華網