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“末日机器”拯救未来
来源:中国科学报      作者:晋楠      时间:2016-08-08 00:00      关键词:工程学家认为其有助人类社会应对自然灾难
摘要:过去1年,Tara Hutchinson在设法了解受到大地震袭击后,用薄钢梁建造的大楼会发生什么。

美国迈阿密佛罗里达国际大学的“风墙”能够阻止5级的强飓风。图片来源:Robert Sullivan

过去1年,Tara Hutchinson在设法了解受到大地震袭击后,用薄钢梁建造的大楼会发生什么。

为此,她建造了一个六层的塔楼,这座建筑像一根石灰绿手指一样,矗立在美国加利福尼亚州圣迭戈市市郊一个灌木丛生的小山上。建筑里放满了数百种应变仪和加速计,这些设备是如此灵敏,它们甚至能够检测到吹响墙面的一阵微风。现在,Hutchinson可谓万事俱备,只需要等待一场地震。

在世界上大多数地方,这都是个问题。即便在这个有一条大断裂带恰好经过市中心的地方也不例外,当地最近的一次地震发生在6年前,震中位于墨西哥附近。但加州大学圣迭戈分校结构工程学教授Hutchinson并不需要板块构造的配合。今年夏天,她和全球最大的一台地震机器有个约定。

这个设备是美国过去15年为了用更加现实和复杂的实验推进自然灾害科学研究而打造的研究网络的一部分。这个由美国国家科学基金会(NSF)支持的项目成本达2.8亿美元,它可以让科学家更好地模拟一些最强、最具破坏性的力量,如地震、海啸和滑坡等。

这项工作已经形成了新的建筑标准和更好地建造或改进从码头到旧混凝土大楼等各类建筑设施的方法。科学家已经获得了许多新的知识,如地震如何破坏墙体和天花板内的管线,如何才能让高速公路坡道、钢筋大楼、停车场、木屋以及砖房等更抗震。

该项目目前仍在扩张。在一项斥资6200万美元为期5年的项目中,“末日机器”网络正在进一步扩张以模拟飓风和海啸,并与计算机建模团队携手,研究如何预测那些大自然母亲投掷的对于物理实验来说规模过于庞大的灾害。

按比缩小灾害

这个网络体系的诞生要归因于加州北岭大地震。这场1994年发生的震中位于洛杉矶附近的地震,曾导致72人死亡以及250亿美元的损失。震后,国会委托的一项报告警告,美国需要有一套更加系统的研究如何减少地震危害的方法。

作为回应,NSF建立了8200万美元的地震工程模拟网络。这些资金在全国支持建造了14个站点。此外,2014年还另外拨款两亿美元用于运行这些站点。其中包括加州大学圣迭戈分校的站点,该校2004年揭开了全世界最大的户外震动台的面纱。

对于这些灾害设施的描述经常用最高级的形容词,如最大、最长、最强等。除了圣迭戈分校的设置以外,该工程还得到了最初项目以及其继任者——自然灾害工程研究基础设施(NHERI)的拨款,其中包括北美最大的位于俄勒冈大学的海啸研究波浪槽、全球最大的位于佛罗里达州国际大学的飓风模拟设备等。

过度炫耀并不好,但是如果在谈及建筑如何应对自然灾害造成的破坏力时,规模通常具有一定重要性。例如,土壤粒子黏合在一起的方式是滑坡风险中的一个重要因素,这取决于有多大质量在向下叠加。“另外,你不能将一座建筑按比例缩小到1/10,然后将其放入风洞。这样在物理学意义上行不通。”佛罗里达州风力工程师Forrest Masters说。

而计算机模型在精确重复所有自然力发生的破坏时也存在缺陷,比如它们在多大程度上会导致大桥扭曲和摇摆。大桥有如此多的片段同时被拉扯向如此多的方向,因此模型很难代表现实情况作出预测。

今年5月的一个上午,Hutchinson在检测其用于测试的大楼的最后准备工作。她指向一层楼房间中天花板和墙面连接地方的一个细小裂缝,这样的裂缝在计算机模型中并不会显现出来。但是它对搞清建筑不同板块之间如何承载力量以及大楼在下一次地震中会发生多大的损坏非常重要。“你很难考虑到每个细小的螺丝钉。”她说,“看看这个损伤度有多小。”

庞然大物

设计一台能模拟8.0级地震或是5级飓风形成的同样冲击力的机器并不容易,也不会便宜。一瞥圣迭戈的震动台就能了解这样一台设备所需要的“肌肉力量”。该校监督振动台操作的工程学教授Joel Conte带着记者走进了放满机械的一个地下室通道。

一个两万升的金属箱装着驱动整个系统的液压机液体。两台泵在3.4万千帕的压力下将那里的液体抽送到50个像街灯电线杆一样细长的黑色圆筒中。这样高的压力非常关键,它能够形成足够的力量瞬间夷平整座大楼。

“在现实世界中,你很难指望这样。”Coute说,“你不能说,‘我要坐在这座大楼前等待下一场地震,我会投入大量感应器。’那样你可能需要等30年、40年,乃至50年。所以通过这样,我们可以人工制造地震。”

从其投入1000万美元开始建造以来,这个震动台已经测试了一座四层混凝土停车库、一个风力涡轮机和一座带有电梯和台阶的五层混凝土楼房。在当前的测试中,Hutchinson希望看到由质量较轻的钢筋建造的六层楼在震中和震后会发生什么。

测试结果不仅具有学术意义,还具有实际应用价值。该测试的资助者还包括钢铁建筑零件生产商、保险商业以及州政府等。Conte正在游说加州政府官员投资另外1400万美元给设备升级,使其可以进行更加真实的测试。

下一步:混合模拟

科学家还在通过将类似的物理测试和计算机建模相结合,进行更大规模的测试。这样的“混合”测试模拟能够检测那些体积庞大、难以放入任何检测设备中的大型结构,宾夕法尼亚州利哈伊大学民用工程师James Ricles说。他的实验室也是NSF网络的一部分,主要用计算机模型测试那些已经了解其结构的部件,并在对那些模型难以处理的部分进行物理测试。

Ricles的实验室通过用物理方式测试水泥柱,并在计算机中对桥面板进行了虚拟的模型测试,模拟了地震期间一条高速公路的抬升行为。近期,他还利用同样的策略测试了一座钢筋大楼在地震期间前后摇晃的建筑设计。

破坏性绝对是这项工作吸引力的一部分,加州大学圣迭戈分校进行混合测试的工程学教授Gilberto Mosqueda说:“你建造出这些模型,然后要让它们震动直到被破坏。”但是这些测试生成的海量数据也打开了通往建造大量更加复杂模型的路径,它们未来某一天可能会承担“末日机器”能做的工作。

如果说早期的NSF项目聚焦大型测试平台,那么NHERI计划则将更多资金投入了虚拟领域。得克萨斯大学奥斯汀分校已经获得1370万美元的拨款,建造一个数据库和软件平台,用于储存多年来野外实验收集的信息。未来,工程师应该能够向数据库中输送更多资料,提高其计算机模型的精确度。NSF很快将启动一项斥资1100万美元的计算机建模和模拟中心。

“我们是否能够到达对每件事情建模,从而对未来潜在灾害充满信心的程度呢?那可能还有很长的路要走。”弗吉尼亚州阿灵顿资助该测试的NSF项目主任、结构工程师Joy Pauschke说。“但有希望的是,当我们测试和改善这些模型的时候,我们在朝着更加强大的计算机建模方向迈进。”

“我想20年后,人们可能会通过极为复杂的方式模拟一座城市。”Mahin说,“这样的分析将有助于降低未来自然灾害导致的破坏。”

 

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