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【师者】潜心十载攻克抗震技术难题 他们为“超级工程”保驾护航——揭秘港珠澳大桥中的“广大智慧”
来源:广州大学报 发布日期:2019/01/08 点击量:

“没有例子可借鉴,只能自己一点一滴地去摸索,每一天都是连轴转,连车都跑坏了一台。”

 

团队主要成员简介

温留汉·黑沙,我校工程抗震研究中心研究员、总工程师,主要从事结构的抗震与隔震研究及设计。曾主持我国首例古文物隔震研究项目,开辟了我国文物地震保护技术的新途径。

马玉宏,我校工程抗震研究中心研究员,其研究项目主要围绕近海隔震桥梁、高层隔震建筑、高铁桥梁隔震等开展基于性态的全寿命抗震性态评估、抗震设防标准研究及易损性分析等。

黄襄云,我校工程抗震研究中心抗震研究室主任。国家一级注册结构工程师。中国建筑学会抗震减灾分会减震控制专业委员会委员,广东省土木建筑学会第三届工程检测专业委员会委员。

 

 

在茫茫的一片伶仃洋海域里,迤逦延展开的是一座设计精美的大桥,稳稳地屹立其上,向远方蜿蜒。2018年10月24日,大桥正式通车,成为连接香港、珠海及澳门的重要大型跨海通道,这便是港珠澳大桥,由我校周福霖院士领衔的工程抗震研究中心团队骨干成员,担纲港珠澳大桥全部桥梁部分的抗震、隔震与减震设计,首次把隔震技术嵌入桥梁,定义了桥梁隔震装置技术的世界标准。

 

“接到任务就立即开始工作”

被习近平总书记誉为“圆梦桥、同心桥、自信桥、复兴桥”的“超级工程”正式通车时,港珠澳大桥团队成员之一的温留汉·黑沙教授正在北京参加中日隔震技术交流会。他刚从新闻得知这一消息,喜悦之情早已溢出,不由得向国外友人介绍港珠澳大桥。“他们都觉得这个工程非常了不起,在这么短的时间里,采用这么高的技术,保证这么好的质量,确实是一个奇迹!”他自豪地回忆道。

我校工程抗震研究中心团队与港珠澳大桥结缘的故事,要从2010年说起。八年前,港珠澳大桥的建设工作逐渐拉开了帷幕,摆在这座世界上最长的海洋大桥面前的难题之一,是整座桥的抗震问题。那时,港珠澳大桥管理局听闻我校工程抗震研究中心在建筑减隔震方面有着比较成熟的经验,便立刻与研究中心取得联系,委托中心做港珠澳大桥的抗震性预研究。

当时港珠澳大桥的工期十分紧张,“用一种比较好的、更经济的、又能提高桥梁抗震性能的手段,在一年的时间内,针对港珠澳大桥工程,从设计思路到实际做法,给出一套完整的预研究报告”绝非易事。在这种情况下,研究中心在接下任务后就马不停蹄地奔走于施工现场,“中心几乎80%的人员都参与了港珠澳大桥的抗震设计研究。”最终他们提交了全桥减隔震的实际工程应用和可行性分析报告,获得了美国专家团队的认可。

即便已经得出较为可行的报告,接下来的工作仍繁琐艰巨。面对具体的施工和建设工作,研究中心团队要考虑很多因素,如隔震层要使用的材质和具体厚度,寻找制作材质和产品合格的厂家等等。“作为世界上最长的海洋大桥,如何在现有的技术和经济条件下有效提高其抗震性,我们面临着众多的未知与挑战,毫无借鉴可言,只能依靠团队自己一步步摸索出来。”温流汉·黑沙在回忆整个项目建设初期的情况时沉思了很久,笑着长叹了一口气。

 

 

“正月十五那天,我们还一直在做实验”

在传统的桥梁抗震设计中,主要方法是用“蛮力”,通过提高强度和增强延性来保证抵御地震的能力,自身的力比地震的力大时,自然可以岿然不动。但是这种方法应用在实际中时,其抗震能力并不能得到保障,地震的具体情况也是不确定的,有可能存在抗震效果不如期望值的情况,并且造成对桥梁的破坏。这便是俗称的“硬抗”。

港珠澳大桥全长55公里,是世界上最长的跨海大桥,且地处环太平洋火山地震带。面对这么长的抗震跨度,传统的抗震方法显然是不可行的,必须要结合实际情况考虑。

要如何做到有效抗震?针对这一问题,团队综合考量,毫不犹豫地把普遍应用在楼房的减隔震技术“借用”过来——尽可能地去避免不确定性,将桥因为地震而受到的惯性力降低,从而有效地避免桥的倒塌。这种减隔震技术的灵感是周福霖院士在唐山考察期间得到的,他在那里发现了一座经受住地震考验的房屋。受到该房子的启发,周福霖提出一种利用叠层橡胶支座来隔震的新技术。当模拟地震发生时,建筑物在橡胶支座上处于弹性状态,其底下的柔性橡胶支座越柔,隔震效果就越好,这样的支座既能隔震又不影响建筑的承载力,能够在很大程度上减少地震给建筑物造成的破坏。如此才真正地做到了“以柔克刚”,取得了技术上的跨越式突破。

另外,港珠澳大桥团队还充分考虑了环境保护的问题。“从环保的角度来讲,我们所采用的所有装置都不会对现场造成破坏。”温留汉教授还提出,港珠澳大桥采用这种减隔震技术的另一个原因就是可以把承台做得尽量小,阻水面积减少,水流通畅,既可以防洪,又对环境保护有很大的好处。

接下来五年,抗震中心把全部心力都投注在了港珠澳大桥的系列实验上。实验归根到底分成两种,一种是所用材料、装置本身的实验,第二种实验是指把装置加到桥体之后全桥的动力实验。

一开始,对大桥的抗震要求是能对抗烈度为8的地震,并且保证其使用寿命达到120年。而经历了理论计算、实际设计、产品验证等一系列的繁复的实验后,港珠澳大桥设防烈度提高到了九度,就相当于汶川地震的强度,桥梁基本不会出现太大问题。这些都得益于中心团队成员的不懈努力。

在做净体实验时,中心的隔震研究室只有四、五个人,却要面对十几个厂家提供的几百个实验。我校工程抗震研究中心研究员马玉宏谈到,几百个实验并不算多,但是每个实验都因为不同的变量而涉及许多的类型,而这就使得工作量变得更多了。尽管实验工作所用的时间较长,工作量也比较大,但团队还是不断地坚持,严格按照检测体系,做到公平公正,确保给出一个明确的结论。当时,团队不论白天黑夜都在忙于做实验,马玉宏半开玩笑地说道:“做实验的时候我特别害怕,一些器材坏掉之后会蹦出来一些东西,挺危险的。要是我再做半年的实验,估计都快得心脏病了!”

而谈到港珠澳大桥建设期间的困难,我校工程抗震研究中心抗震研究室主任黄襄云的思绪回到了2011年。那时候,根据安全地震动的参数,团队对10多个厂家,几百个产品轮流开展实验研究。就算到了过年的时候也不松懈,正月十五那天仍在实验点忙碌着。2012年4月,中心的新实验室尚未建立,团队只能前往重庆,借用当地的大台子来完成单墩拟静力试验、单墩减隔震与抗震性能对比的全桥振动台模型试验、多跨模型减隔震与抗震性能双联振动台一致激励和非一致激励试验等。黄襄云坚定地说道:“每一个步骤,我们都要在实验阶段把它做好,对比工作也要做得更加完善。” 团队老师们每天的实验工作量繁重,偶尔还会遇到设备故障的问题,脑子里一直都在高速地搜索解决办法,“没有时间叫苦喊累。”最后,他们大概花了大半年的时间完成了动力实验,并且成功地将它运到港珠澳大桥上实行进一步的现场实验。

在广东这一特殊地区,时有台风肆虐。而面对可能遇到的强台风问题,他们也十分自信,“像我们这种采用隔震的制作,它是一层橡胶一层钢叠加设计的,这个东西本身对于抗台风是有点弱。但大型的设计工程是一定会考虑到这个,一般不会有问题的。”

 

展望未来,迎接新起点、新突破

八年过去了,大桥从抗震性预研究到现如今的通车,这个历程不仅仅见证了时光的流逝,还凝聚了团队的汗水与心血。如今谈起当时的感受,温留汉·黑沙依然难掩兴奋,“能够参与这么大的一个国家级项目,我们觉得很荣幸,也很高兴能够看到它今天建成。”

其实,除了港珠澳大桥的抗震设计工作,这些年来,团队还为近海交通工程、超高层建筑、人工岛礁、核电站、高铁、桥梁等各种复杂环境下的隔震减震保驾护航。广州塔“小蛮腰”中的防震设计也出自该团队。团队还对故宫博物院、西安碑林博物馆的珍贵文物进行加固保护,在珍贵文物下加装一层隔震层,这是现代隔震技术在国内文物地震保护中的首次应用。

温留汉·黑沙饶有兴趣地介绍道:“随着我国社会经济的发展和技术的不断提高,我国的隔震技术可以说已经走到了世界的最前列。”马玉宏在一旁也补充道,“现在我们还在编一个建筑隔震的设计标准,这在国内外都是非常先进的。”研究中心所参考的隔震标准是中美日编制的国际标准,而我国的标准是以我校抗震研究中心为参照的,这充分体现了我校在隔震领域上的国际影响力之大。

马玉宏口中的设计标准便是工程完成后,团队编制的《港珠澳大桥主体工程桥梁工程施工图设计阶段桥梁减隔震装置技术要求》和《减隔震产品的型式检验及技术标准》形成了跨海大桥隔震装置技术标准。这些文献资料为减隔震技术的推广提供了技术支撑,填补了国内空白。

如今,结束了港珠澳大桥的建设工作,团队也即将迎来新的实验室。目前,实验室已经开工,其大小是现在实验室的五倍。其中,实验室内有新建的试验机,专门用于做隔震实验。“我们还有一个振动台实验,若将振动台建成,那么就会在国际上产生很大的影响,能够吸引来自世界各地的人才前来交流。”马玉宏欣慰地说道。另外,研究中心接下来也还是会以科研为主,同时带动研究生、博士生参与其中,让他们在探索中学习与收获。

通过港珠澳大桥的预研究工作,抗震中心成功地解决了许多初次涉及的问题,也为以后尝试更多大型建筑设计奠定了技术基础。与此同时,他们加强了国际上的交流和合作,成立了中国—意大利国家环境文化遗产部罗马文物修复研究中心,致力于把减隔震技术推向国外。

 

(学生记者 莫海珊 胡嘉仪 陈燕 郑金凤 刘宇欢)

 

注:本文刊登于2018年12月31日第391、392期《广州大学报》。如需转载,请注明出处。

 

 



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