走近大国重器 | 大科学装置助力防震减灾
探访我国地震工程领域首个国家重大科技基础设施
中央纪委国家监委网站 沈东方
地震大装置航拍图。天津大学供图
科研人员将地震的相关参数输入控制台，动力随着油泵开始传输，46条作动器形成共同推力，一场地震工程模拟试验正式开启……在位于天津大学北洋园校区的大型地震工程模拟研究设施（以下简称“地震大装置”）实验中心控制室内，科研人员正在对新设计的建筑模型进行紧张的试验。
就在不久前，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在天津大学通过国家验收并投入运行。地震大装置配备了目前世界上台面尺寸和载重量最大的地震模拟振动台和世界首套可移动水下振动台台阵，可以观测、分析工程结构在地震中的破坏情况。
开展一场地震工程模拟试验需要具备哪些试验条件？地震大装置的投入使用将给防震减灾工作带来哪些帮助？请随记者一起探访我国在地震工程领域的首个国家重大科技基础设施。
研究工程结构抗震性能，更好满足公共安全与工程建设重大需求
工欲善其事，必先利其器。当前新一轮科技革命浪潮奔涌，充满机遇和挑战，有着“大科学装置”之称的国家重大科技基础设施，正是推动重大科技创新的国之重器。它们能为当代科学家探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革提供极限研究手段，是突破科学前沿、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题的物质技术基础。
从北京正负电子对撞机到贵州“中国天眼”，从兰州重离子加速器到“人造太阳”的实验装置“夸父”，截至目前，我国已布局建设77个国家重大科技基础设施，涵盖物理学、材料科学、生命科学等多个领域。
“目前已建成的大科学装置多数以理论科学为研究对象，比如天文、高能物理，更偏向基础理论。而地震大装置属于工程科学方面的科技基础设施，专门研究工程结构在地震中的抗震性能，简单来说，就是研究在地震中各类工程可能遭受怎样的破坏。”天津大学大型地震工程模拟研究设施建设办科学工艺部部长刘铭劼向记者介绍。
伴随社会发展，水利、土木、海洋、交通、能源等领域的重大工程越来越多。我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处，地震活动频度高、强度大，是世界上遭受地震威胁最为严重的国家之一。工程结构的失效和破坏是造成地震中人员伤亡、财产损失和发展受阻的重要原因。
搞清工程结构的抗震薄弱环节，有针对性地提升其抵御地震破坏的能力，是防震减灾的重要措施。
大型地震模拟振动台足尺钢框架试验。天津大学供图
刘铭劼介绍，地震工程的研究方法主要包括理论分析、试验研究、数值仿真等，但当地震真正发生时，往往会有意想不到的情况。因此，振动模拟，即“人造地震”，是目前研究工程结构抗震性能最直接有效的试验方法。然而，此前国内外已有的地震模拟振动台由于规模较小或试验功能单一，难以满足公共安全与工程建设重大需求。
经过百余次论证，天津大学于2019年10月启动地震大装置建设。地震大装置的总建筑面积为7.6万平方米，主要包括两个单体建筑——实验中心和仿真中心。其中，实验中心主要进行地震工程模拟试验研究，仿真中心主要进行数值计算、可视化仿真等工作。地震大装置可以观测工程结构在地震中的损伤和破坏情况，帮助提升工程结构抗震能力。
试验规模更大、精度更高，可实现水下双台地震、波浪、水流联合模拟
走进地震大装置实验中心，最直观的感受是，这是一个巨大的空间。室内净高31米，相当于九层楼的高度，大型地震模拟振动台区域有两台吊重500吨、跨度42米的双梁桥式起重机，可以满足大尺寸试验模型运输安装的需要。
在整个设施中，最核心的部分就是位于实验中心的大型地震模拟振动台和水下振动台台阵。
天津大学大型地震工程模拟研究设施建设办副主任朱然介绍，大型地震模拟振动台的基础埋深18米，是目前世界上台面尺寸和载重量最大的振动台。20米长、16米宽的台面，载重能力最大可达1350吨，约等于20多辆重载卡车满载时的重量。
在进行模型试验时，模型尺寸越接近真实工程，试验结果往往越准确。以往，受到振动台尺寸和载重量的限制，抗震性能试验只能把建筑物等比例缩小，而这个大型地震模拟振动台可以实现1∶1比例还原一栋七层楼高的建筑物。让建筑物经历一场真正的地震，就能得到它最真实的振动响应，这对于地震多发地区的工程结构抗震性能提升极具科研价值。
在试验过程中，大型地震模拟振动台具体是如何工作的？
“我们在台面下方放置了46条作动器，试验中作动器可以模拟水平、垂直方向的地震动，影响放在台面上的被测结构模型，再通过台面上的传感器和周边摄像头获取精准的振动响应数据。科研人员利用这些实测数据，可以研究出更具针对性的抗震性能提升方法。”朱然表示，试验所用传感器的精度非常高，比如测量结构变形的传感器，其最小测量值是0.1毫米。
在实验中心另一侧，水下振动台台阵和造波、造流设备被布置在一个长95米、宽69米的大水池内。这是目前世界唯一一套可以实现水下双台地震、波浪、水流联合模拟的试验装置，可以在3米水深下工作。水池两边配备了造波、造流设备，波高可达0.5米，能为跨海大桥、海底隧道、水工大坝和海上风电等涉水的超级工程提供试验环境，助力工程建设。
水下振动台悬索桥试验。天津大学供图
未来，地震大装置将一边通过地震工程模拟试验系统进行物理实验，一边通过高性能计算与智能仿真系统还原地震数据，推动灾后救助向灾前预防转变。
朱然介绍：“除了实验中心的两大物理试验平台之外，我们还在仿真中心配备了高性能计算与可视化智能仿真设备，对研究进行扩展。可视化智能仿真设备能够实现试验过程实时数字孪生建模，帮助科研人员更有效地感知试验进程，实现试验数据和仿真数据综合集成管理、大数据分析以及开放共享。”
不仅能模拟验证单个工程项目，还将助力地震工程领域关键科学问题研究
自大型地震工程模拟研究设施正式建成以来，项目团队已经接到了来自国内建筑、交通、能源等行业多家公司、单位的“订单”。
“这些试验需求都是一对一个性化的。比如，某单位想造一座跨海大桥，就可以提前将相关设计图纸或者等比例模型交给我们，我们利用地震大装置对其需要测试的部分进行模拟试验。在这一过程中，能发现哪些设计还可以优化完善，这样一来既能保障建筑安全，也能提升其建设的经济性。”刘铭劼说。
据了解，该项目团队共有50余名科研人员。对奋斗在抗震研究一线的科学工作者来说，地震大装置不光是一个实验设施，也是他们研究的对象，其建设、运行、试验都会产生很多科研课题。
科研人员在控制室操作振动台系统。天津大学供图
设计建设的过程也是工程科技攻关的过程。两个大型设备要在地下10多米的基础内安全、精确、高效运行，需要多达7000余个工艺设备埋件，最大预埋件的单件重量超过10吨，安装误差不超过±1毫米。地震大装置建设团队已连续攻克重要技术难题40余项，目前已经顺利完成土建工程建设和工艺设备安装调试，通过了建安工程、工艺性能、固定资产、财务管理和项目档案的全部专项验收和国家验收。
正式投入使用后，地震大装置的作用不仅在于对单个工程项目的验证，更在于助力地震工程领域关键科学问题的研究。
并不是所有工程都需要地震大装置的模拟试验。要保证其抗震性能，一套成熟规范的工程建设标准是关键。
刘铭劼向记者介绍：“我们自己设计了不少模型，希望借助该装置的一系列试验，提炼出科学成果，再把科学成果变成工程行业的规范，从而提升整个行业的设计施工和运维能力，助力全社会的防震减灾工作。”
要模拟一场场强烈的地震，该装置本身也成了一个巨大的振动源。在试验时，如何减少对校内日常教学生活及周边地铁等市政工程的影响？
“从选址开始，项目团队就在这方面做了大量的研究工作。通过理论研究、仿真分析、设备运行实测等方式，我们提出了振动影响分析理论与控制方法，保障周边区域实测振动值满足规范要求，确保校内及周边地区环境安全舒适。为解决实验楼内部振动的问题，我们提出半主动三维隔振技术，运用该技术减少关键位置的振动，确保建筑物内部的安全。”朱然说。
中国企业新闻网摘编：亓淦玉 |
