探訪天津“地震大裝置”

宋瑞

國家大型地震工程模擬研究設(shè)施的整體航拍圖（天津大學(xué)供圖）

踏入天津大學(xué)北洋園校區(qū)，教師劉銘劼像往常一樣，朝著不遠(yuǎn)處的建筑工地舉起手機(jī)，手指輕點(diǎn)后，畫面定格。照片中，一幢約10層樓高、紅灰相間的巨型鋼結(jié)構(gòu)建筑十分顯眼，與不遠(yuǎn)處科技感十足的仿真中心遙相呼應(yīng)。

這座巨型鋼結(jié)構(gòu)建筑是國家大型地震工程模擬研究設(shè)施（以下簡稱“地震大裝置”），是我國地震工程領(lǐng)域首個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

“我親眼看著地震大裝置從無到有，一點(diǎn)點(diǎn)成長起來，內(nèi)心非常激動?！眲憚率窃擁?xiàng)目建設(shè)管理辦公室科學(xué)工藝部成員，他告訴記者，隨著人防、規(guī)劃、節(jié)能、竣工等驗(yàn)收工作陸續(xù)完成，地震大裝置即將完成土建工程聯(lián)合驗(yàn)收。

地下“利器”

走進(jìn)建設(shè)現(xiàn)場，只見起重機(jī)正將一些大型設(shè)備穩(wěn)穩(wěn)吊起，運(yùn)至相應(yīng)位置供工人們安裝。

地上的繁忙是為了“地下工作”。

“地震大裝置的秘密就隱藏在這里?！眲憚虏攘瞬饶_下，笑著說，“在整個設(shè)施中，最核心的部分就是位于地下的大型地震模擬振動臺和水下振動臺臺陣?！?/p>

大型地震模擬振動臺基礎(chǔ)埋深達(dá)18米，20米長、16米寬的臺面相當(dāng)于一個標(biāo)準(zhǔn)游泳池1/3的大小，載重能力最大可達(dá)1350噸。

這好比讓重量堪比“400 頭大象”的實(shí)驗(yàn)器物“震起來”， 但運(yùn)動的精度卻要求是毫米級的，難度可想而知。

“我們在臺面下方放置了作動器。試驗(yàn)中，作動器可以模擬橫向、縱向的地震動，影響放在臺面上的被測建筑，再通過臺面上的傳感器和周邊攝像頭，獲取精準(zhǔn)的振動數(shù)據(jù)?？蒲腥藛T利用這些實(shí)測數(shù)據(jù)，可以研究出更具針對性的抗震性能提升方法?！眲憚抡f。

大型地震模擬振動臺臺面上方的巨大空間可滿足大尺寸模型試驗(yàn)。“我們可以在臺面上1∶1等比例還原一棟七層樓高的建筑物，比如住宅樓、醫(yī)院和學(xué)校等，以實(shí)物形式對其內(nèi)部進(jìn)行抗震性能測試。國內(nèi)外現(xiàn)有的上千條有記載的地震活動都能在此復(fù)現(xiàn)。”劉銘劼說罷，指了指實(shí)驗(yàn)中心的另一側(cè)，“那邊的水下振動臺臺陣是這個裝置的另一‘利器?！?/p>

水下振動臺臺陣不僅可以模擬不同位置的地震動，還可以模擬河流、海流、海浪等涉水環(huán)境，能為跨海大橋、海底隧道、水工大壩和海上風(fēng)電等海洋中的“超級工程”提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，助力工程建設(shè)。

精雕細(xì)琢

“地基不穩(wěn)，實(shí)驗(yàn)不準(zhǔn)”。施工過程中出現(xiàn)的一點(diǎn)小紕漏，都會極大地影響未來實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度。為實(shí)現(xiàn)“造地震”的設(shè)想，“打地基”工作成為重中之重。

“兩個大型設(shè)備要在地下10多米的深基坑內(nèi)安全、有效運(yùn)轉(zhuǎn)，光工藝設(shè)備埋件就多達(dá)7000余個，最大預(yù)埋件的單件重量超過10噸。更重要的是，要保證預(yù)埋件設(shè)計(jì)精度達(dá)到±1毫米，獲得的地震模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)才精確有效。”劉銘劼說，這好比讓重量堪比“400頭大象”的實(shí)驗(yàn)器物“震起來”，但運(yùn)動的精度卻要求是毫米級的，難度可想而知。

據(jù)介紹，為實(shí)現(xiàn)地下施工的精之又精，2萬立方米的混凝土進(jìn)行了一次性澆筑，混凝土澆筑設(shè)備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了60多個小時，近300人明確分工，項(xiàng)目成員輪崗值守，實(shí)時監(jiān)測混凝土性能指標(biāo)，嚴(yán)格控制溫度影響。不僅如此，每寸施工材料都被“精雕細(xì)琢”，通過數(shù)值模擬分析、試驗(yàn)承重和牢固等方式，確保地震大裝置在高頻抗震試驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)功能。

項(xiàng)目建設(shè)管理辦公室綜合事務(wù)部成員楊政龍告訴本刊記者，該團(tuán)隊(duì)已連續(xù)攻克重大技術(shù)難題40余項(xiàng)，設(shè)施的技術(shù)指標(biāo)和綜合性能已進(jìn)入國際同類裝置領(lǐng)先行列。

國家大型地震工程模擬研究設(shè)施實(shí)驗(yàn)中心內(nèi)部效果圖（上）;國家大型地震工程模擬研究設(shè)施的大型地震模擬振動臺和水下振動臺臺陣效果圖（下）（天津大學(xué)供圖）

“國外常見水下振動臺臺陣是圓形，防水效果更佳，但為了達(dá)到更好的地震模擬試驗(yàn)效果，我們將臺陣設(shè)計(jì)為方形，這就對如何提升防水性能提出了挑戰(zhàn)?！眲憚抡f。

從2017年著手研究，到2021年設(shè)計(jì)定型，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)與材料、力學(xué)、機(jī)械、流體等領(lǐng)域的校內(nèi)外專家和設(shè)備生產(chǎn)廠家團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多輪論證，嘗試了幾十種材料和分析方法，一遍遍將設(shè)計(jì)方案推倒重來，反復(fù)試驗(yàn)，終于取得成功。

值得一提的是，該項(xiàng)目科研團(tuán)隊(duì)的平均年齡僅36歲。

29歲的何金明從研究生期間就開始參與到項(xiàng)目中。他對本刊記者說：“我以工地為家，到現(xiàn)在已住了近3年，工地的每個角落都能如數(shù)家珍。每天一推開窗，就能看到項(xiàng)目的進(jìn)展，像是在見證一個孩子的成長?！?/p>

一張簡易床、一個辦公桌，是他屋內(nèi)僅有的大件家具?！耙坏蕉?，活動板房里的室溫和屋外一樣冷，電暖氣是唯一的取暖依靠，偶爾遇上停電，只有蜷縮成一團(tuán)再蓋上好幾層棉被才能睡著。到了夏天，屋里又像桑拿房，酷熱難耐，大伙兒經(jīng)?！畵屛ㄒ坏牧茉婎^?！焙谓鹈髡f。

“但我們都十分幸運(yùn)，能夠參與‘國之重器的建設(shè)，內(nèi)心無比自豪、干勁十足?！焙谓鹈髡f，“地震大裝置是一本土木工程的‘百科全書。世界范圍內(nèi)可遵循的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不多，很多難題是第一次面對。每天的工作就是解決一個個新問題，面對一個個新挑戰(zhàn)?！?/p>

“為了將停留在紙面的科學(xué)設(shè)想落在實(shí)處，每個工作人員都必須有釘釘子的精神，將建設(shè)中的各個細(xì)節(jié)反復(fù)演練，預(yù)判可能出現(xiàn)的隱患風(fēng)險并做出有效化解?！焙谓鹈髡f。

2008年5月12日，四川汶川發(fā)生特大地震。正是從那時起，天津大學(xué)的學(xué)者下定決心，要建立一個“人造地震”的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

?十年磨一劍

為什么要“人造地震”？

劉銘劼的思緒回到2008年。2008年5月12日，四川汶川發(fā)生特大地震。正是從那時起，天津大學(xué)的學(xué)者下定決心，要建立一個“人造地震”的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

“我國地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯部位，地震活動頻度高、強(qiáng)度大、分布廣，而工程結(jié)構(gòu)的失效和倒塌是造成地震中人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和發(fā)展受阻的最重要原因。我們想從科學(xué)的角度搞清楚，樓房在地震中的薄弱環(huán)節(jié)到底在哪里？怎樣才能抵御地震的破壞？”項(xiàng)目建設(shè)管理辦公室科學(xué)工藝部成員燕翔對本刊記者說。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展需求，我國大型基礎(chǔ)工程建設(shè)日益增多，高層超高層建筑、跨海超長橋隧、大型水利工程、大型能源工程等重大項(xiàng)目都對抗震能力提出更高要求。

據(jù)劉銘劼介紹，最初抗震研究主要通過震后觀測開展——研究人員將觀測儀器設(shè)置在震區(qū)的房屋結(jié)構(gòu)上，等地震到來時觀測記錄房屋結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下的反應(yīng)。但實(shí)際發(fā)生的強(qiáng)地震相對較少，靠真實(shí)的地震來獲取研究數(shù)據(jù)，不僅機(jī)會非常少而且周期長。

后來，國內(nèi)外開始建設(shè)地震模擬振動臺，但大多規(guī)模較小且實(shí)驗(yàn)功能單一，不能同時模擬地震與波浪、水流共同作用下的真實(shí)境況，無法滿足我國重大工程對抗震安全的迫切需求。

因此，建設(shè)地震大裝置的想法應(yīng)運(yùn)而生。團(tuán)隊(duì)的設(shè)想是：通過建設(shè)大型地震模擬振動臺和水下振動臺臺陣，真實(shí)再現(xiàn)多種形式的地震，直觀了解工程結(jié)構(gòu)在地震中被破壞的機(jī)理和特征，為建筑工程結(jié)構(gòu)的抗震減災(zāi)技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而找到提高工程結(jié)構(gòu)抵御地震的方法。

從行不行到怎么行，從理論到實(shí)踐，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)十年醞釀，經(jīng)歷了上百次論證，終于在2018年8月，世界最大的地震工程模擬研究設(shè)施由國家發(fā)改委批復(fù)立項(xiàng)。2019年10月，項(xiàng)目由天津大學(xué)牽頭啟動建設(shè)。

“為了讓項(xiàng)目建設(shè)精準(zhǔn)完成，我們專人專崗，各司其職，團(tuán)隊(duì)制定了詳細(xì)的工作計(jì)劃，甚至把日程安排具體到每一天。每個階段的規(guī)劃都與上一個階段的規(guī)劃環(huán)環(huán)相扣，我們力圖完善每一處細(xì)節(jié)，按時完成每一項(xiàng)節(jié)點(diǎn)任務(wù)?！睏钫堈f，各個部門都建立了清單和工作臺賬，將節(jié)點(diǎn)、任務(wù)、負(fù)責(zé)人、監(jiān)督人、協(xié)調(diào)人等事項(xiàng)逐一精細(xì)化，“大大小小的清單、臺賬摞起來有半個人高”。

2022年8月，地震大裝置即將迎來土建工程聯(lián)合驗(yàn)收。

用好是關(guān)鍵

2022年以來，四川雅安“6·1”蘆山地震和四川阿壩州“6·10”馬爾康地震牽動著項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的心。

“從了解到的情況看，當(dāng)?shù)夭簧俜课萁ㄖ蜆蛄核淼涝诘卣鹬锌拐鹦阅芰己?，這顯示出我國工程領(lǐng)域近年來抗震水平不斷提升?！眲憚抡J(rèn)為，如果建筑物不會在地震中被損毀，地震就不再那么可怕。

“我們要做出前人做不出的成果。地震大裝置建成后，用得好才是關(guān)鍵?！彼f，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)最大的愿望是在建成第一天就能立刻投入地震模擬實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)規(guī)劃，地震大裝置將一邊通過地震工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，一邊通過高性能計(jì)算與智能仿真系統(tǒng)還原最真實(shí)的地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能仿真和數(shù)據(jù)分析，幫助人類實(shí)現(xiàn)從災(zāi)后救助向?yàn)?zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變。

不僅如此，年輕的團(tuán)隊(duì)還希望其能發(fā)揮更大的作用——為全世界地震領(lǐng)域的科學(xué)家提供開放共享的實(shí)驗(yàn)平臺，為全社會普及防震減災(zāi)的科學(xué)知識。

“我們設(shè)計(jì)了對外開放端口，希望通過設(shè)施、數(shù)據(jù)、成果共享，吸引世界上更多的科學(xué)家和工程技術(shù)專家共同研究，為人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)?！睏钫堈f。

據(jù)介紹，現(xiàn)在已有上百家工程設(shè)計(jì)院、施工單位和建筑公司關(guān)注著地震大裝置的建設(shè)進(jìn)展，前來調(diào)研并提出合作設(shè)想。項(xiàng)目組為此專門成立了用戶庫，希望通過前期調(diào)研和溝通交流，了解現(xiàn)實(shí)需求，為后續(xù)更好地服務(wù)國家重大工程建設(shè)做準(zhǔn)備。

“我們‘制造的‘地動山搖，是為了讓世界更加平安美好?！眲憚抡f。