李忠献（中）在指导试验。

跨海斜拉桥水下振动台试验。本文图片均为受访者提供

“你能想象出地动山摇和惊涛骇浪同时发生的灾害场景吗？”这是天津大学教授李忠献向《中国科学报》介绍自己的研究成果时，说的第一句话。

我国大型土木、水利和海洋工程建设规模宏大。而复杂多变的地理条件，让跨海桥梁、海底隧道、海洋平台等重大工程设施，一旦遇到海域地震，就是地动山摇与惊涛骇浪的联动。多种灾害的耦合作用，可能造成严重的结构损坏，甚至给这些重大工程带来致命的伤害。

是否能在重大工程建设之初，就将灾害因素充分考虑进设计建造方案之中呢？带着这一问题，李忠献团队在国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）设立的国家重大科研仪器研制项目支持下，挺进土木工程、地震工程及海洋工程等多学科交叉科研领域的“无人区”，组织科研力量开展技术攻关，提出新方法，探索新路径，最终成功研制出了世界首台水下地震模拟振动台台阵系统。

筹谋已久

“水下地震模拟振动台台阵研制”项目于2014年立项，研究周期为6年。但事实上，对这个项目的筹划早就开始了。

在2008年自然科学基金委实施的重大研究计划“重大工程的动力灾变”中，科学家们广泛探究了重大建筑、桥梁和水工结构在动力灾害荷载作用下的损伤和失效演变过程。他们发现，地震时近海区域大型工程结构会出现严重破坏甚至垮塌，这不仅与强地震作用直接相关，还与环境水动力作用密切相关。而现有的研究，特别是试验方面的研究却非常匮乏。

“在很长一段时间里，由于试验条件的限制，科学家要么研究单独地震作用下的破坏机理，要么研究单独水动力效应的影响。而对那些重大工程来说，它们在地震与水动力耦合效应下的受灾机制，几乎无法准确模拟出来。”李忠献介绍道。

2010年左右，李忠献团队开始筹划建设水下地震模拟振动台台阵系统。他们希望研制出的系统不仅要实现地震—波浪耦合激励模拟，还要实现地震空间差动效应模拟。这样才能为解决大型工程结构地震—水动力耦合作用机理与地震破坏机制等关键科学问题提供可靠试验平台，进而提升我国工程防灾减灾原始创新能力。

迎难而上

水下振动台台阵的研制是一项复杂的系统工程，面临诸多世界级难题。其中，最为关键的技术难题是在考虑水动力作用时对台阵系统两个振动台的同步与异步精确控制。不同于传统振动台，该项目每一个水下振动台的水体负荷达到20多吨，与振动台自身所能承载的模型试件质量接近，对振动台台体的扰动作用不容忽视。而且，由于水体的强非线性特征，对振动台影响也极为复杂。

水下振动台的台体相当于整个系统的身体躯干，作动器相当于四肢。为了保证振动台的躯干在复杂水动力扰动作用下能够正常工作，团队通过技术攻关，完成了振动台与造波系统的大脑指挥中枢—耦合控制系统的开发，从而克服复杂外界环境的影响，精确、及时地指挥四肢的运动。

“这一技术瓶颈的突破，来自于我们对技术方案的反复多轮论证和对振动台控制模型的细致推演。水下振动台耦合控制系统的研发成功，使得水下振动台建设成为可能。”李忠献说。

研究人员需要解决的另一个关键技术难题是水下振动台防水问题。“一方面，防水质量影响到整个系统的安全。一旦防水失效，可能导致整体设备破坏，引发试验突然中断、试件破坏等情况。另一方面，防水技术方案对振动台的试验效果以及试件的动力响应有重要影响。”团队成员、天津大学建筑工程学院土木工程系副教授石运东解释道。

为此，团队创造性地提出了振动台整体大空间充气密封方案。一方面，通过对振动台设备间充气密封实现了防水功能，且降低了防水密封对于流体运动的扰动；同时由于气压的存在，大幅降低了振动台上部水体压力对于振动台负载能力的影响。

另辟蹊径

至此，团队已经建设好了水下振动台的各项硬件设备。但是，现有试验方法的局限性却使得试验仍旧无法开展。

由于重大工程结构具有尺度大、重量大等特点，科学家无法直接对原结构进行振动台试验，必须要按比例对原结构进行缩小才能进行，因此需要通过附加人工质量来提高结构的等效密度以保证地震作用相似。但对水下振动台试验来说，由于水体密度无法提高，水动力作用相似无法满足，模型试验难以继续开展。

对此，研究人员创新性地提出了模型设计的协调相似律，巧妙地设计模型结构的迎水面尺寸和造波参数，实现了水动力作用相似与地震作用相似的协调一致，发展了水下振动台试验方法。

这个方法的提出，标志着水下地震模拟振动台台阵研究在突破硬件障碍之后，再次攻克了软件难题。接下来，项目团队利用试验设备对跨海桥梁、输水渡槽、海底隧道、海上风电塔等诸多项目开展了试验研究。

幸运的“接力跑”

在此之前，国际上并没有类似的水下振动台台阵系统。这让研究团队有点“摸着石头过河”的感觉。

“这既是机遇，也是挑战。”李忠献笑道，“一方面，我们确实经历了太多的困难，遇到了太多的挫折；另一方面，我们完成了一项全新的挑战，最终取得了成功。这不得不说是一种幸运！”

经过这个团队的探索和开拓，他们为重大工程在复杂动力作用下的地震灾害机理研究，提供了当前最先进的试验平台；为重要基础设施的长期开发和可持续利用创造了有利条件。

“希望在我们与同行的共同努力下，我国的防震减灾科学和技术能进一步加快发展，与经济和社会的发展相匹配、相适应。让我们的重大工程更强健、更安全、更长久，发挥更重大的作用。”李忠献说。

基于这一项目取得的关键技术突破与创新成果转化，天津大学获批了“十三五”国家重大科技基础设施——“大型地震工程模拟研究设施”建设项目，这将是我国地震工程领域首个大科学装置。

“这一装置建成后，将成为世界规模最大、功能最强的工程抗震模拟研究设施，对于保障土木、水利、海洋、交通、能源等重大工程的安全具有重要意义。”天津大学建筑工程学院院长、大科学装置建设管理办公室主任韩庆华说。

“回过头来看，真不敢相信我们在短短几年里，取得了这么显著的成绩。正是在自然科学基金委工程与材料科学部强有力的支持和管理下，项目实施顺利，我们才能‘撸起袖子，甩开膀子，迈开步子’，做出走在世界前沿的成果。”李忠献说。

《中国科学报》：当前我国在这一领域的科研仪器研制处于怎样的国际地位，又面临怎样的挑战？

李忠献：我们国家在地震模拟振动台建设方面，无论是在建设数量，还是振动台试验能力方面都走在世界前列。尤其是水下地震模拟振动台台阵系统，在系统功能和性能指标上已经处于国际领先水平。但是，我国已经建设的大部分振动台系统的关键部件还依赖国外进口。如何把握我国振兴先进制造业的重大机遇，实现振动台系统关键部件的国产化是大型地震工程模拟研究设施研制面临的最大挑战。

《中国科学报》：接下来，我们的科研团队有哪些攻关重点？

李忠献：下一步，我们一方面要进一步完善系统功能，提升系统性能，更好地服务于大科学装置的高质量建设，力争建成世界最大、功能最强的重大工程抗震模拟研究设施。另一方面，加强系统应用、促进成果转化，积极探索跨海大桥、大型水利水电工程、超长隧道、海底管线、海上风电、海洋平台、核电设施等重大工程的多灾害效应及抗多灾害韧性理论与技术。

来源：科学网