“世界上最安全的跨海大桥”,港珠澳大桥抗震幕后技术团队揭秘

南都科学
原创2018-10-30 20:35
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 “这么长的桥,全程采用隔减震措施,在国内外都是没有的。”中国工程院院士周福霖说。周福霖院士领衔的广州大学工程抗震研究中心港珠澳大桥技术团队,担纲了港珠澳大桥全部桥梁部分的抗震、隔震与减震设计。

采用了减隔震措施后,大桥的抗震性能从抗震烈度从7度跃升至9度。“相当于类似汶川地震级别的地震都完全不怕。”如此,经过隔震保护的港珠澳大桥,在防震上可称得上是“世界上最安全的跨海大桥”。

这是首次在世界最长的跨海大桥的建设中应用减隔震技术,为我国大型跨海桥梁采用减隔震技术提供范例。

 


引入减隔震技术

解决港珠澳大桥抗震设计难题

港珠澳大桥全长55公里,作为最长的有地震断层穿过的跨海大桥。要如何抗震?通常桥梁应对地震的办法是,或把基础加大加固,或配置更多墩身钢筋,或做限位措施,确保支座、结构不破坏。这些抗震措施,俗称硬抗。港珠澳大桥却不能。

一般桥梁的承台在水面,即在桥底打基础,再做平台,再在平台上做墩子、做桥梁。但由于港珠澳大桥处于珠江口,阻水太大会影响环境,采用抗震设计在遇到大震时无法避免桥墩底部的损伤,在海底的桥墩的加固修复是非常困难的。 

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周福霖院士团队将减隔震技术引入,解决港珠澳大桥抗震设计难题。所谓隔震,就是在房屋和地面之间,加一层橡胶和钢板隔层叠加的隔震支座柔软层,通过延长结构自振周期,避开地面振动共震区,从而隔离地震,能使隔震结构地震反应衰减至非隔震结构的1/4至1/8,成倍提高建筑的耐震安全性。

在四川雅安7.0级强震后,芦山县人民医院门诊综合楼因采用了周院士团队的橡胶隔震垫、阻尼器等先进的隔震技术,成为地震中唯一正常运转的救护中心,被誉为“楼坚强”。汶川第二小学也采用了相同的隔震结构,在地震中成为了“安全岛”。桥梁隔震,原理亦然。“以柔克刚。”广州大学工程抗震研究中心该项目负责人温留汉·留沙教授,对南都记者如是解释隔震技术。

经过详细计算分析,周福霖院士团队将隔震层设置在桥墩顶部,即大桥桥墩与桥梁连接之间。当地震来临时,桥墩和桥梁之间是柔软的,产生的地震的惯性力大概只有原来的1/3—1/4。“仿佛柔软的水托着海上行驶的船,地震中,船体与震动的海面之间隔着柔软的水层,船体只会慢慢摇摆,加在船体的地震冲击力被卸去”。周福霖说,“这么长的桥,全程采用隔震,在国内外都没有。”

 

试验填补国内空白

世界最大尺寸隔震装置性能试验

一开始,港珠澳大桥的抗震要求,是能对抗烈度为8的地震。

早在2010年,抗震研究中心已开始为期一年的前期预研究。团队多次奔走到施工现场,集全单位力量提交了全桥减隔震的实际工程应用和可行性分析报告。“中心80%的人员参与了港珠澳大桥抗震设计研究。”

减隔震技术方案确定后,具体到施工和建设了,隔震层使用什么材质,具体厚度多少,如何制作,哪家的材质和产品合格,计算结果能被实验验证吗?抗震研究中心做了数不清的实验与测试。

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桥梁模型振动台试验。

“一辈子能赶上这个世纪工程很难得。”中心的马玉宏教授印象深刻,2011年的正月十五,自己还在实验室。根据安全地震动的参数,团队对10多个厂家,几百个产品开展实验研究。从桥梁受温度、频率、压力变化下,对耐久性、疲劳度、徐变等做全方位型式检验。“每个老师轮流做实验,白天黑夜分班导,有的单个实验持续一个多月,整个大半年连轴转。” 

2012年4月,中心在重庆交通科研设计院实验室进行港珠澳大桥地震模拟试验。抗震研究中心黄襄云教授是主要参与者之一。她介绍,1:20的缩尺比大桥模型被放在桥梁模型振动台上,再用人造大地震进行测试。“这已是试验机上能够做到的最大试验了”。

为了完成动力实验,工程抗震研究中心团队在重庆住了大半年时间。期间,团队开展了港珠澳大桥单墩拟静力试验、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,试验验证了减隔震效果。

实验结果非常成功。“看了这个试验以后,我心里更有底了,试验之前我们算过大概有(减震)4倍的效果,现在看不止4倍,比4倍还要好。”周福霖院士和港珠澳大桥管理局的相关人员此前在接受媒体采访时介绍。

这意味着,团队首次成功实施了减隔震跨海大桥复杂大型模型振动台试验,验证了设计方案和数值模拟结果。首次通过试验揭示了桥墩高差、行波效应、相邻桥跨相互作用等因素对减隔震效果的影响。

同时,这也是世界最大尺寸的隔震装置性能试验,形成了一整套针对大尺寸隔震装置检测试验的方法,试验填补了国内空白,也为大尺寸隔震装置国产化提供了开拓性的技术支撑。

 

历时近10年形成了一整套

海上桥梁抗震减震技术体系

在位于广园中路248号的广州大学工程抗震研究中心实验室里,港珠澳大桥桥墩模型仍然放置其内。这一模型已屹立8年。桥墩被模拟地震波冲击产生的细纹,也见证着团队在这座大桥的研究历程。“能在世纪工程中,贡献一份自己的力量,非常自豪和骄傲。”研究中心的成员都表示。

从确定方案、分析计算、全桥模型整体试验、单桥模型试验、隔震减震装置试验到整体的技术总结、课题验收,广州大学工程抗震研究中心港珠澳大桥技术团队历时近10年,承担了港珠澳大桥全部桥梁部分的抗震、隔震与减震设计,形成了一整套海上桥梁抗震减震技术体系。

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单墩模型振动台试验。

比如,对大桥非通航孔桥,采用基于橡胶隔震支座和摩擦摆隔震支座的隔震技术,有效降低了桥梁的地震响应;对通航桥采用黏滞液体阻尼器减震优化设计,减少了在地震作用下桥塔底部和桥墩底部的内力响应。

不仅如此,团队解决了在海洋复杂地质地震条件和恶劣气候环境下采用减隔震技术的关键技术问题:塑性铰设置在桥墩上部,减少海上桥墩检修难题;解决了减隔震装置在海洋环境下的耐久性问题;确定了减隔震装置防台风初始刚度,保证大桥按120年设计寿命能够抵抗8级地震、16级台风。

通过抗震性能优化设计,港珠澳大桥的抗震安全性大幅提高,从抗7度跃升至抗9度。同时造价有所降低,大桥桥墩下面的桩基数量减少了约20%。

“8级地震不怕,9级地震也不怕”。周福霖称,经过隔震保护的港珠澳大桥,在防震上可以称得上是“世界上最安全的跨海大桥”。温留汉·黑沙教授说抗9度,意味着在世界上也是具有很高的抗震性能的桥梁,成为世界大型桥梁建设的一个典范。

工程完成后,团队还编制了《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,为减隔震技术的推广提供技术支撑,填补了国内空白。

 

【知多D】

小蛮腰防震设计

也是周福霖团队操刀

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抗震团队部分成员。 南都记者 陈辉摄

作为国际著名工程减震控制专家、我国减震控制技术体系主要奠基人和开拓者、全国“五一”劳动奖章获得者周福霖,其带领的广州大学工程抗震研究中心团队在减隔震技术领域已走到世界最前端。其主持编写了我国第一本《建筑隔震设计规范》(2014- 2015)国家标准。

这些年来,团队为近海交通工程、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。

【最新动态】

抗震中心新实验室

预计两年内落成启动 

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目前,团队正在编制建筑隔震的设计标准。 南都记者 陈辉摄

目前,团队正在编制建筑隔震的设计标准。“这在国内外非常先进,随着隔震设计规范的出台,技术规程和产品标准的更新,隔震技术将在抗震中发挥更大的作用。”温留汉·黑沙教授介绍。

还有一件十分可喜的事——广大抗震研究中心的新实验室已启动建设了,预计两年内将在大学城落成启用。“新实验室将是现在实验室的5倍。”黄襄云向南都记者透露,新实验长102米,高度分27米、18米两个跨度,还将新建一个万吨级多功能压减试验机。“建成后这一吨位将是世界第一”。

同时,一个三连台的巨型震动试验台也将建成。“包括8*10米,4*4米的三个震动台,可同时工作,也可根据桥梁跨度任意拉伸滑动,建成后将是世界第二震动台。”

黄襄云说,根据周福霖院士的设想,新的地震震动台和各种先进隔减震试验研究设备,新实验室将建成国际隔震减震实验中心,这里将会成为国内外人才聚集、创新技术合作交流的新平台。

 

采写:南都记者贺蓓 实习生周宇

摄影:南都记者陈辉

编辑:陈养凯

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贺蓓
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