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高速铁路桥梁抗震研究的现状与挑战——再访美国工程院院士弗瑞德·塞泊 ... ...

2012-3-31 10:34| 发布者: lansebeiai| 查看: 4868| 评论: 0|来自: 《桥梁》杂志

摘要: 2008年5月12日发生的汶川地震对中国来说无疑是一场灾难,但对于桥梁工程师来说,也是一个很好的学习机会。每一次震害过后,自然力都会揭示出许多我们曾经忽略了的实际隐患,而解决这些问题会比任何试验都能带给我们 ...

        2008年5月12日发生的汶川地震对中国来说无疑是一场灾难,但对于桥梁工程师来说,也是一个很好的学习机会。每一次震害过后,自然力都会揭示出许多我们曾经忽略了的实际隐患,而解决这些问题会比任何试验都能带给我们更多且更实用的结论。11月4日,在孙峻岭博士的引荐之下,我们在香格里拉饭店的咖啡厅里再次见到了美国结构工程领域的资深专家、美国工程院院士弗瑞德·塞泊先生(Dr.Frieder Seible)。这距上一次采访,已经过了整整一年时间。这天又正好是美国第44任总统大选的日子。塞泊院士这次是应中国铁道部工程管理中心的邀请,来中国进行中美铁路桥梁抗震设计与抗震技术研究的交流。

高速铁路抗震研究现状
        《桥梁》:据了解,您这次来中国主要是为了和中国的桥梁技术人员交流关于高速铁路的抗震问题,希望您结合汶川地震以及美国抗震研究的经验,谈一谈您对桥梁抗震现状的看法。
        Dr.Seible:据我观察,汶川地震和世界其他国家和地区发生地震后所必须面对的情况非常相似。每当有地震发生后,当地政府都需要解决两个方面的问题:一是技术问题,二是政治问题。政府会被社会质问:“房屋、桥梁等这些基础设施为什么会倒塌?”而工程师会被质问:“作为专业技术人员,既然你知道会倒塌为什么不提前采取措施?”将这两方面问题同时沟通好是非常难的,政府和工程师要坐在一起解决。
        为了解决这个问题,加州专门成立了抗震技术顾问委员会,它的职能就是直接为州政府提供抗震技术政策和核心抗震技术实施的咨询,以帮助加州政府抗震工作的具体实施。在大地震发生后,地震委员会会向州长办公室提交三份报告:即《与时间赛跑》《更大的挑战》和《基础设施的安全》。从这三个报告中,就可以了解抗震技术委员会所做的工作。
        其中《与时间赛跑》讲的是紧急的救援和调研。民众要第一时间知道为什么出现倒塌,哪些地方受到的破坏最严重及其严重程度。这部分对于桥梁工程师来说更加重要。《更大的挑战》包含三个方面的内容。一是现有的基础设施系统非常庞大,其中有很多是不满足实际需求的;二是随着我们的信息化系统工程的建立,数据整理的工作量具有相当的挑战性;最后一方面也是最重要的方面,即今后的抗震工作如何从以救灾为主转变成以预防为主。第三份报告即《基础设施的安全》是为发生大地震之前写的。在大灾难发生之间都会有一段相对长的平稳时期,所有地区都一样,政府在这段平稳时期往往会掉以轻心。这份报告的目的就是为了提醒政府在发生任何灾难之前,要继续进行抗震研究,继续推进抗震加固的措施。下一次的大地震是肯定会发生的,只是我们不知道它什么时候发生而已。
        《桥梁》:现在铁路桥梁抗震在土木工程界属于前瞻性的研究领域,它从研究到实际运用会面临哪些挑战?
        Dr.Seible:作为美国总统大选的一部分,今天美国加州就加州整个高速铁路的建设经费问题也有一个全民的投票公决。此公决如果通过 (现已通过),加州所面临的很多问题都和中国相类似。比如加州有很多高速铁路要么越过地震带,要么沿地震带建设,中国也是这样的。我们很愿意了解中国这方面的建设情况,另外也很想和中国分享在高速铁路抗震减灾方面的措施和经验。
        高速铁路的功能特点要求其位移要非常小,不管是震前还是震后,其运营阶段的刚度要非常强大。但实际的运营又要求,铁路无论刚性再强也要有一定的位移能力、变形能力,如何解决这个矛盾问题是个很大的挑战。而公路就是要利用结构变形的韧性来完成减震抗震,与铁路的情况非常不同。
        另一方面的问题是在大地震发生后,实际情况的紧迫性不允许我们再花两三个月的时间去调研原因、了解情况。现在的要求是,在一两个小时之内就要知道什么地方有问题,什么时候能通车。这也正是为什么土木智能化系统在高速铁路上极端重要的原因。现在高速铁路建设中已经运用了很多单独的高性能传感器,但我们需要的是一个好的传感器群,并将它们联系在一个系统内,再通过这个系统来处理问题。但这个方面现在仍处在研究阶段,和实际应用还存在差距。前不久,在美国圣地亚哥召开的关于结构检测和实时监测的高性能传感器智能化研讨会也旨在解决这一问题。

结构工程领域前瞻性研究及运用
        《桥梁》:在上次的采访中,您为我们介绍了美国在结构工程领域里的一些前瞻性研究方向,在过去的一年中它们是否有实质性的进展?
        Dr.Seible:首先是新材料的运用。现在桥梁工程界越来越多的关注新材料的研制和运用。这种新材料具有优良的物理力学性能,使用寿命长。美国的劳动力是非常昂贵的,所以使用性能好、耐腐蚀性强的材料从长期效益来讲更加经济。但经过很长一段时间的实践证明,由于高性能复合材料的价格比较昂贵,将其广泛地运用到桥梁建设中的进程还比较缓慢,其推广过程也有一定困难。以美国桥梁抗震加固领域为例,更多还是采用传统材料的新技术,但桥梁上部结构的耐久性加固已经开始采用新研制的碳纤维复合材料。而且这种材料也推广到了世界其他国家。
        现在,美国桥梁正在进入大规模的维护、翻新阶段。我们更加注重桥梁的“结构再生工程”,这包含两个层面:一是对现有工程寿命的延长,二是对新建桥梁的结构设计和对桥梁整个新系统寿命的延长。由于能源危机的加剧,在过去的一段时间里,美国民众对于整个交通系统有了认识上的调整。这种调整带来的结果就是,现在美国车辆的减载率有20%~25%,也就是说,更多的人愿意搭乘公共交通系统。人们开始意识到,可以用轨道交通来解决当前能源紧缺的问题。所以,现在有很多轻轨和高速铁路的项目都在讨论当中。
        另外,在过去的几年里,信息工程在土木工程领域取得了长足的发展。原来价格昂贵的高性能传感器现在便宜了许多,得到了广泛的运用,在有些结构中可以安装上千个这样的传感器。可随之而来的问题就是,如何给这些传感器提供能源和电力呢? 又如何将大量数据进行处理,并为政府基础设施管理提供真正有用的信息? 所以,现在工程师们将研究重点转到如何运用结构本身产生的能量,并将其传递到传感器上,形成一种自身能源运用,使其成为一种智能传感器。这已经成为一个重要的项目,我正是这个项目的主要研究负责人。在工作的过程中发现,虽然我们对这个研究已经投入了很大的财力和人力,但它与实际应用层面仍存在很大程度的脱节。我也为此正在和加州州长办公室联系,希望能将整个加州变成一个智能化的结构体系。
        这些问题的研究最后都会落实到如何在实际的建设中广泛运用。 把实验室里最新的研究成果真正转化成建设中的实际运用,整个过程需要相对长的一段时间,在美国这需要10~15年。这个现象不仅仅出现在美国,这是世界各国土木工程界都需要解决的问题。

我国抗震研究的“不对称”与“大脱节”
        《桥梁》:您认为美国的抗震经验对中国有什么启示? 您对中国的桥梁抗震现状有什么建议?
        Dr.Seible:美国是一个地震频发的国家,无论是1989年的旧金山洛克庞马地震还是1994年加州洛杉矶诺斯里奇地震,都导致了多座桥梁倒塌和严重的交通中断现象。在这些地震抗灾实践中美国虽然蒙受了很多损失,但更重要的是,也获得了很多宝贵的经验。无论是相关方面的技术研究,还是相关部门的政策措施,都促使美国在过去的三十年里坚持对基础设施做抗震加固以及防御措施,所以我们的交通基础设施在经历震害的时候,表现得相对良好。
        关于对中国桥梁抗震现状的建议,塞泊院士摊开双手,抱歉地一笑,表示对中国的情况不十分熟悉。坐在旁边的孙峻岭博士代替他谈了对国内桥梁抗震现状的一些认识和看法:
        现在桥梁抗震总体来说存在着“三个不对称和一个大脱节”现象。第一,震灾地区在全球的分布不对称,震灾集中分布在几个国家和地区。很不幸,中国就在这几个地区之一。而且,有史以来由于震灾死亡人数最多的国家就是我们中国。第二,全球范围内抗震技术的分布也不对称,主要分布在美国和日本,而中国及其他第三世界震害多发国家的抗震成套系统、成熟系统都比较少。第三个相对严重的不对称是由于国家的组织形式,在仅有的资源里还横向分成几个部委,竖向分成各个省、市、自治区。资源分割比较严重,各个部委对抗震的基本理念都不一样,更说不上“一致”了。另外,我们的抗震技术从研究到实践应用过程存在着相当大的脱节。以至于地震后,看着被水泥板压在下面的孩子,我们束手无策。用手挖不出来,大机器也不敢动,急需的轻型千斤顶却没有……
        中国现行的《公路工程抗震设计规范》是1989年颁布的,近二十年来一直都没有更新过。我们迫切地需要适合现在建设实际的抗震减灾方面的技术规范。这些在国外已经很成熟了,所以不要再重新发明同样的东西了,要引进集成。从长远的立场出发,我们应该立足于自主,但是有些东西首先还是需要引进。先引进、消化,再根据中国自己的国情改进,这样对我们是有帮助的。我们还可以与国际一流的机构合作,建立一个国际抗震研究中心,这个机构可以直接对国家提出技术政策的建议。
        短短数十分钟的采访,我们不仅了解到了美国结构工程领域前瞻性的研究方向以及这些研究的实际运用现状,还对于美国在高速铁路抗震方面的最新经验进行了交流。美国的桥梁建设发展比我们提前了几十年,他们的经验值得我们借鉴并从中得到启发,并结合我国的实际情况做出最快、最正确的反应。目前,我国拥有世界上最大的桥梁建设市场,全世界的目光都集中在这里。希望这些相对前沿的经验和资讯可以给正准备大展拳脚的桥梁设计和建造者们一些实用的借鉴。

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        加利福尼亚高速铁路是一个连接南、北加州的高速铁路系统,该系统是从旧金山经由中央河谷(Central Valley) 到沙加缅度,以及经由伊利诺斯州(Inland Empire) 延伸到洛杉矶与圣地亚哥。整个项目由加利福尼亚高速铁路管理局计划筹备,整个执行计划在2005年8月通过,2007年起开始进行环境评估。
        该项目总投资约为350亿美元,如此大的项目通常是向政府和民众共同集资。联邦政府通过发行公债预计资助120-180亿,剩余60-80亿预计由民众投资。联邦政府于美国时间2008年11月4日以52.13%的同意率通过普选,发行了第一期99亿5000万美元公债,其中90亿美元用于开始兴建旧金山到安那翰之间的路线,另外9亿5000万美元用于改善区域客运铁路服务。
        美国建造一个国家级的项目时首先要论证它的可行性和必要性,这不可以由一两个领导决定,而是要先由专家对于地区人口交通成长状况进行一番科学论证,然后由全体加州民众表决才可以通过。人口学家的研究表明,加州在2020年人口将增加1100万人,对交通运输建设的需求日益增加。专家预估从洛杉矶到旧金山,开车至少需要8小时;至于搭飞机,加上地面交通和机场安全检查的时间,预计共需3小时26分钟。如果兴建纵贯加州南北的高速铁路,北起加州首府沙加缅度,然后到北加州重镇旧金山,南下经过洛杉矶,最后到达美国的边境城市圣地亚哥。全长1120公里,设计时速为360公里/小时,从洛杉矶至旧金山只需2小时25分钟,即使加上中间停站时间也不超过3个小时。 


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