“末日机器”拯救未来

迈阿密佛罗里达国际大学的“挡风墙”可以防止5级飓风。资料来源:罗伯特·沙利文

在过去的一年里，塔拉·哈钦森一直试图了解在大地震后用薄钢梁建造的建筑会发生什么。

为此，她建了一座六层楼高的塔，像一根石灰绿的手指一样矗立在美国加州圣地亚哥郊区的一座灌木山上。这座建筑充满了数百个应变仪和加速度计。这些设备非常灵敏，甚至可以探测到吹在墙上的微风。现在哈钦森已经准备好了，正等着地震。

在世界大部分地区，这是一个问题。即使在这个有一个大断层带穿过市中心的地方，最近一次地震发生在六年前，震中在墨西哥附近。但是加州大学圣地亚哥分校的结构工程教授哈钦森不需要板块构造学。今年夏天，她与世界上最大的地震机器达成了协议。

该设备是美国在过去15年中建立的研究网络的一部分，旨在通过更加现实和复杂的实验推进自然灾害的科学研究。该项目由国家科学基金资助，耗资2.8亿美元。它使科学家能够更好地模拟一些最强和最具破坏力的力量，如地震、海啸和山体滑坡。

这项工作产生了新的建筑标准和更好的方法来建造或改善从码头到旧混凝土建筑的各种建筑设施。科学家们已经获得了许多新知识，例如地震如何破坏墙壁和天花板上的管道，以及如何使高速公路坡道、钢铁建筑、停车场、木屋和砖房更加抗震。

该项目仍在扩大。在一个耗资6200万美元的五年项目中，末日机器网络正在进一步扩展，以模拟飓风和海啸，并与计算机建模团队合作，研究如何预测自然母亲带来的灾难，这些灾难对于物理实验来说太大了。

按比例减少灾害

这个网络系统的诞生是由于加利福尼亚的北岭地震。1994年洛杉矶附近的地震造成72人死亡，250亿美元的损失。地震发生后，国会委托的一份报告警告说，美国需要对如何减少地震破坏进行更系统的研究。

作为回应，国家科学基金会建立了一个8200万美元的地震工程模拟网络。这些资金支持了全国14个地点的建设。此外，2014年还额外拨款2亿美元用于运营这些网站。其中包括加州大学圣地亚哥分校，该校于2004年推出了世界上最大的户外振动器。

对这些灾难设施的描述通常使用*的形容词，如最大、最长、最强等。除了建立圣地亚哥校区，该项目还获得了原项目及其后续项目自然灾害工程研究基础设施(NHERI)的资助，包括北美最大的俄勒冈大学的海啸研究波谷和世界最大的佛罗里达国际大学的飓风模拟设备。

过度的炫耀是不好的，但是当谈到建筑物如何应对自然灾害造成的破坏力时，规模通常是很重要的。例如，土壤颗粒粘在一起的方式是滑坡风险的一个重要因素，取决于向下叠加的质量。“此外，你不能把一栋建筑缩小到1/10，然后把它放进风洞。这在物理学中没有意义。”佛罗里达风力工程师福勒斯特·马斯特斯说。

然而，计算机模型在精确重复所有自然力造成的损坏方面也有缺陷，比如它们会导致桥梁扭曲和摇摆的程度。桥上有如此多的路段同时被拉向如此多的方向，因此模型很难代表实际情况做出预测。

今年五月的一个早晨，哈钦森正在测试它正在测试的大楼的最后准备工作。她指着一楼房间天花板和墙壁连接处的一条小裂缝。这样的裂缝不会出现在计算机模型中。但是很重要的一点是要弄清楚不同的建筑块是如何承受负荷的，以及在下一次地震中建筑会遭受多大的破坏。“你很难考虑每一个微小的螺丝。”她说，“看看损害有多小。”

巨大的怪物

设计一台能模拟8.0级地震或5级飓风造成的相同冲击力的机器既不容易也不便宜。浏览一下圣地亚哥的振动台就能看出这种装置所需的“肌肉力量”。工程教授乔尔·孔戴(Joel Conte)负责监督振动台的运行，他带领记者进入一个装满机械的地下室通道。

一个20，000升的金属油箱包含驱动整个系统的液压油。这两个泵在34，000千帕的压力下将液体泵入50个细长的黑色圆柱体，如路灯和电线杆。如此高的压力非常关键，它能形成足够的力量，瞬间将整栋建筑夷为平地。

"在现实世界中，你很难预料到这一点."库特说，“你不能说，‘我会坐在这栋建筑前面，等待下一次地震。我要装很多传感器。“那你可能要等30年、40年甚至50年。因此，通过这样做，我们可以人工制造地震。”

自投资1000万美元开始建造以来，振动台已经测试了一个四层混凝土停车库、一个风力涡轮机和一个带电梯和台阶的五层混凝土建筑。在目前的测试中，哈钦森希望看到在震中和地震后，这座由较轻的钢筋制成的六层建筑会发生什么。

测试结果不仅具有学术意义，而且具有实际应用价值。测试的赞助商还包括钢铁建筑部件制造商、保险公司和州*。孔戴正在游说加州*官员再投资1400万美元升级设备，以便能更现实地进行测试。

下一步:混合模拟

科学家还通过将类似的物理测试与计算机建模相结合来进行更大规模的测试。宾夕法尼亚州利哈伊大学的土木工程师詹姆斯·里克斯说，这种“混合”测试模拟可以检测出体积过大而无法安装到任何测试设备中的大型结构。他的实验室也是国家科学基金会网络的一部分，主要是用计算机模型测试那些已经知道其结构的组件，并对那些难以用模型处理的部分进行物理测试。

里克斯的实验室通过对水泥柱进行物理测试，并在计算机中对桥面进行虚拟模型测试，模拟了地震期间公路的隆起行为。最近，他还用同样的策略测试了一座在地震中前后摇晃的加固建筑的建筑设计。

进行混合测试的加州大学圣地亚哥分校的工程学教授吉尔伯托·莫斯凯达说，破坏性绝对是这项工作的吸引力之一。"你建造这些模型，然后你必须摇动它们直到它们被摧毁."然而，这些测试产生的大量数据也为构建大量更复杂的模型开辟了道路，这些模型有朝一日可能承担起“末日机器”所能做的工作。

如果早期的NSF项目集中在大型测试平台上，NHERI计划在虚拟领域投入更多资金。奥斯汀的德克萨斯大学获得了1370万美元的资助，用于建立一个数据库和软件平台，以存储多年来从野外实验中收集的信息。将来，工程师应该能够向数据库发送更多的数据，以提高他们的计算机模型的准确性。国家科学基金会将很快推出一个1100万美元的计算机建模和仿真中心。

“通过对一切进行建模，我们能对未来潜在的灾难达到一定的信心水平吗？可能还有很长的路要走。”在弗吉尼亚州阿灵顿资助这项测试的结构工程师和国家科学基金会项目主任乔伊·波斯克说。“但希望当我们测试和改进这些模型时，我们正朝着更强大的计算机建模前进。”

"我认为20年后，人们可能会以极其复杂的方式模拟一个城市."马欣说，“这样的分析将有助于减少未来自然灾害造成的损失。”(晋南)

中国科学新闻(2016-08-04第三版国际版)

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