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2018-09-26 11:30:31

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  千吨水箱:减震抗风利器

  毁灭性的台风最高风速可达到每小时一百多千米,可轻易吹倒高楼大厦,不过在广州塔上隐藏着一对抗台风的利器:两台各装满10万公升水的巨型水槽……9月16日,“山竹”来袭之后,在网上流传的“广州塔塔顶竟然装了20万公升水,知道为什么吗?”的一段视频不免让人惊叹。

  谭平,广州大学工程抗震研究中心教授,正是这一装置的设计者,他解释道:网传20万公升水的说法并不严谨,实则是两个各650吨水箱,每个水箱的水约350吨,另外300吨是混凝土水箱重量。

谭平 图片来源:广州日报
谭平 图片来源:广州日报

  “山竹”到来的当日,他像日常一样“轻描淡写”:“只派了一名年轻的老师去塔顶采集数据”,如果放在以前,“要派一大队人上去”。

  “按照我们的设计,再来两个‘山竹’也不怕”,在位于广园路28号的办公室内,谭平说话的语气坚定。

广州塔减震系统施工现场 图片来源:广州日报
广州塔减震系统施工现场 图片来源:广州日报

  文、图/广州日报全媒体记者 杜安娜、罗嘉妮

  位于广园路28号的广州大学工程抗震研究中心,墙上的牌匾字迹已经斑驳发黄,谭平的办公室就在这栋老楼里。在与办公室相邻的实验室内,堆积着包括广州塔、港珠澳大桥桥墩、高铁桥墩在内的抗震实验模型。

  600多米广州塔的抗震装置就诞生在这栋有些年代的楼里。

  因广州塔回国

  谭平从没有想到过自己的人生会与广州塔联系起来。然而,2006年,正是广州塔让当时在美国做博士后的谭平下定决心回国。

  2005年中,谭平在美国做博士后时,接到自己国内导师周福霖院士的电话,动员他做一点实际的工程项目。老师所说的这次机会指的就是广州塔的抗震系统。

  在美国留学做理论研究多年的谭平有些动心:“可能一辈子就只有这一次难得的机会。”

  当时,谭平的学术之路可谓顺风顺水,他的导师正是当时美国减震控制学会的主席,凭着自身的研究实力,谭平很快就在美国学术界崭露头角。

  在很多人看来,谭平未来之路顺其自然会留在美国发展。谭平却志不在此,“在美国这种发达国家,做理论做实验比较多,但真正用到实际工程的机会非常少”。

  “像纽约、芝加哥,城市建设已经基本完成,新建建筑很少;而中国正是建设的高潮,现在全球最高的二十多栋建筑,有十几栋都是中国的。”谭平心中的天平早已倾斜。他暗自下定决心:“要做出点事才行。”

  老师周福霖的电话就像给他点了一把火,“一着就燃”。在谭平回国前的半年时间里,他就开始在学研之余查阅各种相关资料。他记得很清楚,2006年1月6日回到祖国。不过周末,他没有休息,也没回湖南老家探望父母,而是直接去了办公室开始了筹备工作。

  “对那一年的春节没什么印象了”,谭平隐约记得当时已经接近年关,人们都逐渐进入到放假模式,然而对谭平来说,“紧张的日子刚刚开始”。

  谭平及早地开工,正是预料到了整件事的难度,“仅广州塔的减震方案就做了两年”。此项方案的原理说起来并不难,但在广州塔这一独特造型内具体实施时,“难题就出来了”。

  “抠门”设计师不断优化方案

  当时,谭平去了台北101大厦取经。一研究,他就发现难有借鉴之处。“台北101大厦给了五层楼高的空间做抗震系统,而广州塔只‘给’了两层,还不是完整空间,要与一些观光游乐设施共享。”谭平说,最后他拿到的“地盘”只有不到9米,水平距离±1.2米。

  “空间的高度不够,水平方向的位置也不足,这给我们的挑战非常大。”谭平心里有些打鼓,“基本没有先例可循。”

  更让谭平觉得“雪上加霜”的是,“作为观光塔,要求设备不能用混凝土弄得黑乎乎的,还要具有一定的观赏性”。所以,现在看到的这个水箱造型,既要满足减震功能,又要好看,“这一项,我们花了三个月时间来优化”。

  从刚开始几个不同的方案,到最后确定一个最可行的方案,谭平说:“我们计算分析花了一年多时间。”最后把这一方案确定后,谭平团队又花了数年时间来完成各细部的深化设计,试验与现场调试。

  谭平满眼自豪:“台北101大厦是一个被动控制系统,而广州塔加入了人工智能的元素,有主动控制也有被动控制系统。整个塔遍布传感器,能即时把数据传递到电脑,再根据内置的实时智能算法,可以下指令让减震系统始终处于最优的工作状态,把整个塔的震动减到最小。”

  还让谭平更骄傲的是,广州塔的这套减震系统还是个“抠门”的方案:把塔内原有的消防水箱的质量变成整个减震系统的组成部分。“台北101大厦减震系统的金球花了400万美元,广州塔不可能花这么多钱来做。我们用混凝土增加消防水箱的重量,通过优化外形,结果看起来也还不错。”谭平笑道,“混凝土和水都花不了什么钱。”

  逼出来的方案

  这些年来,减震系统也遭遇了好几次大台风的正面“宣战”,这次的“山竹”是风力最大的一次,不过,谭平却没有2012年“韦森特”来访时那么紧张,当时塔顶风速达到35米/秒,这次的塔顶风速超过了40米/秒。

  前几天“山竹”到来,谭平说:“大家都在感叹,减震系统都运行八年时间了。”

  “从2006年开始到确定减震方案, 花了1年多时间,各关键子系统模型的性能测试试验,在实验室里又花了近两年时间;在广州塔顶的原型控制系统的现场安装与调试,又花了两年时间。”谭平说,直到2010年,整套减震系统才正式启用。

  谭平感叹,子系统测试时,全部人挤在狭窄的空间里工作,特别是炎炎夏季,塔顶上也没有空调设备,常常在里面一待就是一整天。

  不过,这些在谭平看来也“算不得什么”。2008年,整体方案的计算已经完成,但“设计每一个子系统,精确到每一个零部件”让他非常头疼。“我们确定采用世界首创的主被动复合质量调谐控制技术后,要把这个理念落实到每一个子系统,包括调谐所需质量如何利用现有消防水箱达到?怎么把水箱支承起来又不能偏离中心?怎样让系统运行时的摩擦最小?采用何种驱动装置来实现国内首例主动控制。”谭平形容走的每一步都“揪心”。

  比如他们最初设计的两个正交的阻尼器,在水箱下部的有限空间运行时极有可能会“打架”。“好在还有一丝可能性”,后来,他们把整套系统的每一寸空间都进行了优化,把空间“挤到极致”。然而,牵一发而动全身,一丁点空间的腾挪往往要对整个系统进行重新调整,这个工作量就极大了。

  他拍着办公桌说:“好多个晚上就在这里,觉得做不下去了。”不过,心里还是想着:绝不能放弃。“好在不是一个人,大家一起想点子,把它坚持做下来了。”谭平说,“有好的想法要去真正实现并不容易。最后出来这样一个方案,完全是逼出来的。”

  广州塔减震系统介绍:

  根据广州塔的实际情况确定采用两级主被动复合调谐控制技术,减震控制效果约40%以上,为国内首创,达到世界一流水平。

  在塔顶对称设置了两套混合调谐控制系统。每套控制系统由被动调谐子系统与主动调谐子系统组合而成,采用该塔中固有的消防水箱(每个消防水箱,含水箱与水总重量约650吨)调谐质量。

  风再大塔都吹不倒

  广州日报:广州塔的减震系统还会不断更新吗?

  谭平:我们会不断地更新。因为人工智能发展越来越快。其实,我们已经更新过一次了。

  在过去,我们的目标是能够做成就行了,现在则会更多考虑到它的安全可靠。譬如装了这么多传感器,万一有一个传感器失灵,我们就会把这个传感器的信息屏蔽掉,不会因为错误信息而误导控制系统。

  再过两年我们设计的系统就十年了,到了这个十年的阶段我们会为系统做一次全面的“体检”。

  广州日报:假设有比“山竹”更猛的台风,会不会担忧广州塔的抗风能力?

  谭平:没有什么担忧的。首先广州塔本身没有安全性的问题,风再大塔都是吹不倒的。

  其次,系统现在的这个潜力才用了不到一半。整套系统都有±1.2米的位移,这次“山竹”台风系统的位移才40厘米左右,即便到了80厘米,系统进入第二级工作状态,系统的阻尼会增大,减震效果稍有下降,但整套系统的安全裕度还很大。

  “山竹”已经是个足够猛烈的台风了,要比“山竹”大一倍的风力才能达到我们第一级优化的极限,我觉得我们(的系统)是绝对安全的(笑)。

  广州日报:为什么当时下定决心回国?

  谭平:我的家人都想不通。他们觉得国外好一些。我跟家人说我到哪里工作都饿不死,在美国也能过得很好,但是人不仅仅是谋生的问题,还是要做点事情。在国外可能只能做研究,但是回国后可以学以致用。

  广州日报:回国之后就一直待在这里做工程防震研究吗?

  谭平:是的,我从2000年参加工作之后就一直待在这里。你看到的是破破烂烂的实验室,我倒是觉得这里是扎实做学问的地方。当时回国也有些学校邀请我,但我还是回到了广州大学。一方面我的导师在这里,另一方面是广州大学在这一块领域做得非常好。

  广州日报:现在国际交流有没有共同合作的空间和方向?

  谭平:广州市给我们投了3.6亿元在大学城建立新的实验室。建好后的实验室在全世界都是一流的,我们希望借助这个平台,和更多同行交流和合作。

  现在提倡“一带一路”,我们也希望通过这种交流,看看别人怎么做的。我们马上要去访问意大利减震方面世界知名企业,我们中国也有一些相当规模的企业。希望借助这种平台能把国外的先进产品引进来,同时把国内好的产品带出去。



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