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稳固广州塔,护航港珠澳大桥的抗震技术竟然

来源:东方明珠 时间:2023/1/19
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中国是地震多发地,因地震造成的损失具有无可估量性,因此在建筑工程设计中,抗震研究对建筑机构性能和稳定性有着至关重要的作用。

在工程抗震研究方面,广州大学走在全国前列。广州大学工程抗震研究中心是广州大学历史悠久的一级科研机构,始建于年,是国内最早研究隔减震工程技术的科研机构,也是国内唯一一个专门研究隔减震技术的实验室。

“十三五”期间,广州大学工程抗震研究中心赶上了“一带一路”和粤港澳大湾区建设的历史良机,踏上了学校高水平大学建设的前进快车道,创下了丰硕的科研和实践成果,为国内多项重大工程项目提供了安全保障。

周福霖:中国工程院院士,广州大学土木工程学院教授,广州大学工程抗震中心主任,被誉为现代“张衡”。

让港珠澳大桥成为世界上最安全的桥梁

港珠澳大桥是中国境内一座连接香港、广东珠海和澳门的桥隧工程。历经6年筹备、9年施工,数万名建设者披荆斩棘,创造了世界桥梁史上的一大奇迹。年10月建成通车后,这座世界最长的跨海大桥肩负起了它的使命,让粤港澳三地人流、车流和物流更加紧密地连接起来。

这个超级工程背后,有着空前的抗震技术难度。港珠澳大桥全长55公里,是有地震断层穿过的最长跨海大桥,设计使用寿命年。这些都为大桥的抗震技术提出了高要求。

根据中国地震局的数据,港珠澳大桥所在的珠江口海域附近,地震频发,加上珠江口的自然环境和海底情况复杂,因此设计施工时将港珠澳大桥的抗震标准定位八级。面对如此高的抗震标准,采取什么样的技术来抗震防震呢?

广州大学工程抗震研究中心的技术大牛出马了。在中国工程院院士周福霖指导下,整个团队担纲起港珠澳大桥抗震设计,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。

广州大学工程抗震研究中心在国家计划项目“近海重大交通工程地震破坏机理及全寿命性能设计与控制”的资助支持下,对港珠澳大桥突破创新提出了全桥采用隔减震控制的技术方案,首次实现在大型跨海工程中应用隔减震技术,使之抗震能力从只能抵抗7度地震提高到抵抗9度地震,成为目前世界最长的隔震跨海大桥。

据该中心负责人温留汉·黑沙介绍,团队没有采取“硬抗”的做法,而是在桥梁底部作“减法”。于是,该团队创新性地将减隔震技术引入。所谓隔震就是运用隔震垫,阻止地震作用向上传递,从而达到减弱结构地震反映的效果。在桥墩部位加入隔震垫,一层橡胶隔一层钢板,地震来时,隔震垫隔开冲击力,像太极一样以柔克刚,把损坏控制在柔性部分,让桥的主体不受损。

据悉,该项成果获国家级重大科技项目支持1项,发表论文近30余篇,已获得专利4项以上,目前相关成果获年广东省科技进步一等奖。

让广州塔成为最稳固的世界高塔

中国的第一高塔是哪座?

东方明珠?那已经是老黄历了。

从年开始,中国的最高塔已经被广州新电视塔——“小蛮腰”刷新。它的总高度米,远超东方明珠电视塔的米。是中国第一高塔,世界第二高塔,仅次于东京晴空塔。

作为中国第一、世界第二高塔,广州塔风振效应显著,抗震与防振的难度不小。

小蛮腰的难,关键在“腰”上。广州塔的塔体实际上分为两个部分。外部是显示出“小蛮腰”外形的钢结构外框筒,内部则是椭圆形的钢筋混凝土核心筒,二者之间通过楼层相互连接。内部钢筋混凝土结构的抗压能力强,可以承担整个建筑的重量;而外部钢结构弹性足,“能屈能伸”,可以抵抗地震、风力这些横向力。内外两个好兄弟各有所长,互相配合,保障了建筑物的安全。

虽然这种内外差异化的结构在全球超高层建筑设计中被广泛使用,但用在“小蛮腰”的方案中时却遇到了全所未有的挑战,挑战来自“小蛮腰”的“腰”,这个纤细而动感的“腰”着实给结构工程师出了个大难题。

首先得抗风、抗震。为此,清华大学、同济大学、广州大学等高校以及许多科研院所都参与其中。同济大学负责“小蛮腰”的抗风性能和对策的研究,广州大学则负责研究建筑物的抗震性能。

广州大学工程抗震研究中心为广州塔提出一种直线电机驱动的两级主被动复合调谐控制成套关键技术,研制了具有完全自主知识产权的两级主被动复合调谐质量阻尼器整套控制装置。

这个装置有效地防止“小蛮腰”风中乱扭。这个抗风神器的名字叫做阻尼器,外形是一个巨大的球体,体重可达数百吨,位置在高层建筑的楼顶部位。例如在台北大楼的楼顶,就有这样一个重达吨的大钢球。它被悬挂在建筑的顶端,在大风吹来的时候缓解大楼的振动。

这一技术成果使我国步入重要城市建筑防震减灾技术领域的世界前沿,世界知名的Discovery探索频道曾以超级工程为题报道过此研究技术成果。该项成果先后获得广东省科技进步一等奖和国家科学技术进步二等奖(年)。

此外,广州塔的镂空外形经过抗风专家的巧妙设计,不仅没有成为影响建筑安全的缺点,反而是一个有益于结构抗风的优点。由于它透风,所以受到的风力会比较小。镂空的形式同样大大降低了建筑物的自重,使得广州塔在面临地震时能够以更轻盈的姿态面对,抗震能力得到了很大的提升。

让苏埃通道成为最保险的海底隧道

汕头市苏埃通道工程是粤港澳大湾区著名的海底工程。项目全长6.8km,其中盾构隧道长.5m,南接规划安海路,北接天山南路,按一级公路标准进行设计,是目前国内综合难度最大的大直径盾构法海底隧道。

苏埃通道有多难搞?它具有“大、高、硬、浅、险”等特点。

“大”是指采用的泥水盾构机,直径达15.03米,属于超大直径;

“高”是指苏埃通道处于高地震烈度区,达到8度;

“硬”是指岸上段孤石和海中基岩段,岩石的强度高;

“浅”是指盾构机上方覆盖层厚度薄,没有达到通常要求的盾构机直径一倍以上;

“险”是指海湾隧道地质复杂,施工难度大,安全风险高,尤其是海湾隧道处于软硬不均地层,特别是三段长达米基岩突出段。

基于这些工程技术特点和难点,专家认为汕头海湾隧道工程的建设在国内隧道建设史上具有里程碑意义。

中国工程院院士周福霖说:“这个工程虽然隧道长度不是很长,但是由于它地震烈度高,直径比较大、土层比较复杂,所以这个工程可以叫做国内甚至世界上一个超级工程。我们国家未来的隧道还有好几个大工程,像川藏铁路的隧道、渤海湾隧道、琼州海峡隧道,都要根据我们这个工程所创立的经验去支撑我们未来那些大隧道,所以说这个工程将是一个里程碑式的工程,对我们国家未来的建设,对人类隧道工程建设将会做出重大贡献。”

为提高隧道的抗震性能,广州大学工程抗震研究中心以苏埃通道为背景,开展盾构及沉管隧道的抗震性能深化研究,研发相关的新型隔震包覆装置与新型隧道SMA消能节点,开展隧道的消能减震技术的振动台试验研究工作。

试验显示,中心所提出的技术解决方案可在隧道原有地震安全性能基础上显著提高40%以上。

为加强工程减隔震控制技术的隧道领域转化应用,广州大学工程抗震研究中心与隧道设计方于年12月份成立了以中心主任周福霖院士为主导的院士工作室。

其实这些年来,广州大学工程抗震研究中心团队的研究成果还被广泛应用于故宫博物院、西安碑林等历史文物的隔震保护中,还为核电站、高铁站等重大工程项目提供防震、抗震技术保障,隔震设计,赢得14项“中华之最”,成功将我国防震技术从“跟跑”加速为“世界领跑”。

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