作者:陈欢欢 来源:中国科学报 发布时间:2017/3/27 9:48:33
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重大工程防震减灾研究进入新纪元


科学家围绕“重大工程的动力灾变”项目召开讨论会。

编者按:从“南水北调”到“西气东输”,从三峡水利枢纽到上海中心大厦……如今,我国的大型基础设施建设举世瞩目。然而,我国同时也是世界上地震、台风等灾害最为严重的国家之一。在重大工程防灾减灾国家重大需求的牵引下,2007年,国家自然科学基金委员会启动了重大研究计划项目“重大工程的动力灾变”,围绕重大工程防灾减灾科学中的核心科学问题开展基础研究,历时8年多,取得一系列突破性进展。近日,该重大计划通过验收。本期基金版将梳理总结该计划取得的经验及代表性成果,以飨读者。

■本报记者 陈欢欢

632米高的上海中心、610米高的世界第一高塔广州新电视塔、18.46公里长的秦岭特长铁路隧道以及三峡水利枢纽……近年来,我国的重大工程举世瞩目。

同时,我国也是世界上自然灾害最为严重的国家之一。据统计,近十年来,我国平均每年灾害损失2000亿~3000亿元。重大工程防灾减灾成为我国工程界面临的一大挑战。

国家自然科学基金委员会重大研究计划“重大工程的动力灾变”瞄准重大工程防灾减灾科学中的核心问题展开基础研究,历时8年,获得一系列高水平成果,解决了诸多核心科学问题,使得我国在该领域的研究水平实现跨越式发展。

项目指导专家组组长、中国工程院院士欧进萍在接受《中国科学报》记者采访时表示,该重大研究计划重点研究关系国计民生和国家经济命脉的重大工程在强地震和强台风等大范围动力场作用下的损伤破坏演化过程,揭示其损伤机理和破坏倒塌机制,建立动力灾变模拟系统,发展与经济社会相适应的防灾减灾科学技术,为保障重大工程的安全建设和运营提供科学支撑,使我国在成为重大工程建设大国的同时,也成为认识和解决相关防灾减灾科学问题的强国。

基础设施建设大国的挑战

数据显示,世界上高度前10 位的高层建筑,我国有6 座;世界上跨度最大的10 座斜拉桥,我国有7 座;小湾电站拱坝(坝高297米)和锦屏一级水电站拱坝(坝高305米)是目前世界上在建的最高拱坝。据统计,我国每年的基础设施建设规模已经超过世界其他国家的总和。

同时,近年来我国还规划了一大批重大工程,如西电东送、西气东输、南水北调、“四纵四横”国家铁路网和7918国家高速公路网等。未来20~30 年仍是我国大规模基础设施建设的高峰期。

然而,我国地处世界两大地震带交会处,是世界上地震灾害最严重的国家之一,许多重大工程都建设在强地震区;同时,我国也是世界上少数几个受风灾影响最严重的国家之一。

欧进萍指出,重大工程若遭遇地震和台风灾害将损失巨大,甚至引发严重的次生灾害或大面积的区域瘫痪,因此,重大工程防灾减灾有利于解决工程乃至城市的防灾安全问题,是工程防灾减灾的重中之重,成为保障社会经济可持续发展的重大需求。

然而,目前工程灾害的风险评估与预测仍以经验的统计推断为主,工程抗灾安全分析方法仍在线性或简化的非线性弹性范围内,影响了其科学性和合理性。“尤其在强地震和强台风等大范围动力场作用下,重大工程的非线性、强耦合行为以及损伤、破坏、倒塌演化全过程的监测、试验、建模、计算、控制和设计等国际研究前沿还存在着许多尚未解决而又亟须解决的关键科学问题,必须从基础科学问题层面攻关。”欧进萍告诉记者。

基金委重大研究计划“重大工程的动力灾变”正是在这样的重大需求之下应运而生。

面向目标、集中布局

重大工程防灾减灾是国际社会的共同目标。国际上,联合国曾发起“国际减灾十年”(1990~2000年),促进了全球联合的高科技减灾行动,美国、日本等国家都斥巨资设立防灾减灾研究计划、试验和计算模拟平台。我国也成立了由28个部委局组成的中国国际减灾十年委员会,实施了一系列重大防灾减灾项目,国家自然科学基金委员会在“十五”和“十一五”期间均将重大工程防灾减灾列入优先资助领域。这些研究计划和行动为防灾减灾的深入研究奠定了基础。

“重大工程的动力灾变”重大研究计划自2007年启动以来,共设立27个重点支持项目、60个培育项目、4个集成项目。4个集成项目分别为:高坝、地下结构及大型洞室群的地震灾变集成研究;重大建筑与桥梁结构地震灾变集成研究;重大建筑与桥梁结构强台风灾变集成研究;重大工程动力灾变综合集成平台研究。同时,该计划还联合美国科学基金会和日本科技振兴会,分别开展了6项中美合作、4项中日合作研究项目。

该重大研究计划实施8年,全面实现了预期研究目标,部分领域实现跨越式发展。例如,在强地震动场与强台风场的特性与规律,材料、构件和结构的多维非线性动力行为,重大工程结构的灾变过程、损伤破坏机理与倒塌破坏机制,以及重大工程结构的灾变控制与失效模式优化等关键科学问题方面取得了突破性成果;建立了大型地下结构、地下洞室群和高坝地震灾变模拟集成系统,重大建筑与桥梁结构地震灾变模拟集成系统以及重大建筑与桥梁强台风动力灾变模拟集成系统,实现了典型重大工程动力灾变的模拟与验证,提升了我国重大工程防灾减灾基础研究的原始创新能力。

此外,通过该项目的积累,我国还形成了以工程与材料科学为主,地球科学、数理科学、信息科学等领域交叉合作、年富力强、具有国际影响力的高水平研究队伍。

重点跨越、系统集成

据悉,随着工程防灾减灾研究的不断深入,国际上工程灾害的风险评估与灾场作用正在由经验的统计推断向统计推断与理论预测相结合的方向发展;工程抗灾分析方法也正向考虑材料、构件峰值强度后软化影响的强非线性分析和局部损伤、渐进破坏、整体失稳、直至倒塌阶段的全过程模拟方向发展。

欧进萍告诉记者,该重大研究计划涉及的两大基本科学问题,正是强地震和强台风对重大工程的动力作用场预测以及强地震动场和强台风场作用下重大工程动力损伤演化与破坏倒塌的灾变过程模拟。

该重大研究计划从4个方面对这两大基本科学问题作出了实质性贡献。

首先,针对高坝、地下结构与大型洞室群,重点突破强地震动场分布特性、复杂多介质耦合能量开放系统非线性动力损伤演化全过程模拟与验证等关键科学问题,研发并集成了具有自主知识产权的地震灾变模拟软件系统。

其次,在重大建筑与桥梁结构地震灾变方面,系统研究和发展了混凝土材料和构件随机损伤演化和率相关本构模型,提出了地震灾变模拟的高效、高精度数值计算模型和分析方法,揭示了地震灾变失效机制和失效模式,提出了多种地震灾变控制新技术,建立了大型结构地震灾变计算模拟和混合试验模拟平台。

第三,建立了强台风场非平稳和非定常时空特性及其气动力理论模型,实现了强台风与重大建筑和桥梁耦合作用的非线性动力灾变演化规律与全过程数值模拟,揭示了重大建筑与桥梁风致动力灾变的失效机制与控制原理。

第四,在重大工程动力灾变综合集成平台建设方面,研发了自主知识产权的计算力学软件集成平台,提出和发展了一系列面向复杂重大工程前处理建模及后处理可视化方法。

未来战略需求

“重大工程的动力灾变”重大研究计划取得了一系列突破性进展,建立了重大工程灾变模拟集成系统与平台,推动了本领域的发展。但欧进萍指出,结合国家重大需求,仍需进一步开展深入系统的研究工作。

首先,对于灾害性动力作用的认识,在很大程度上还局限于经验性的阶段,基于物理机制研究地震动场、台风风场的工作还刚刚开始,复杂介质中地震波传播、近地层的台风特性始终是一个难度很大的科学问题。

其次,对于重大工程结构动力灾变的研究,还局限于单一灾害作用、单体结构分析、新建结构的设计,缺乏对于多种灾害耦合作用、复杂工程系统灾变的偶联分析、结构寿命期限内的全寿命抗灾安全的研究。

第三,对于工程结构的整体抗灾可靠性分析、结构抗灾优化设计、灾害作用后可恢复功能结构的研究刚刚开始,重大工程抗灾性能设计与控制以及相关试验技术仍有待提升和发展。

第四,重大工程动力灾变模拟分析平台尚待整合与完善,具有自主知识产权的大型分析软件与集成平台严重缺乏。

因此,为进一步提高我国重大土木工程防灾减灾能力和水平,欧进萍建议国家自然科学基金委、科技部及有关部委设置“重大工程多灾害防御与全寿命安全防护”的重大研究计划或重大项目。

《中国科学报》 (2017-03-27 第6版 基金)
 
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