2008年5月12日發(fā)生的汶川地震對(duì)中國(guó)來(lái)說無(wú)疑是一場(chǎng)災(zāi)難，但對(duì)于橋梁工程師來(lái)說，也是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。每一次震害過后，自然力都會(huì)揭示出許多我們?cè)?jīng)忽略了的實(shí)際隱患，而解決這些問題會(huì)比任何試驗(yàn)都能帶給我們更多且更實(shí)用的結(jié)論。11月4日，在孫峻嶺博士的引薦之下，我們?cè)谙愀窭锢埖甑目Х葟d里再次見到了美國(guó)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的資深專家、美國(guó)工程院院士弗瑞德·塞泊先生(Dr.Frieder Seible)。這距上一次采訪，已經(jīng)過了整整一年時(shí)間。這天又正好是美國(guó)第44任總統(tǒng)大選的日子。塞泊院士這次是應(yīng)中國(guó)鐵道部工程管理中心的邀請(qǐng)，來(lái)中國(guó)進(jìn)行中美鐵路橋梁抗震設(shè)計(jì)與抗震技術(shù)研究的交流。
高速鐵路抗震研究現(xiàn)狀
《橋梁》：據(jù)了解，您這次來(lái)中國(guó)主要是為了和中國(guó)的橋梁技術(shù)人員交流關(guān)于高速鐵路的抗震問題，希望您結(jié)合汶川地震以及美國(guó)抗震研究的經(jīng)驗(yàn)，談一談您對(duì)橋梁抗震現(xiàn)狀的看法。
Dr.Seible：據(jù)我觀察，汶川地震和世界其他國(guó)家和地區(qū)發(fā)生地震后所必須面對(duì)的情況非常相似。每當(dāng)有地震發(fā)生后，當(dāng)?shù)卣夹枰鉀Q兩個(gè)方面的問題：一是技術(shù)問題，二是政治問題。政府會(huì)被社會(huì)質(zhì)問：“房屋、橋梁等這些基礎(chǔ)設(shè)施為什么會(huì)倒塌?”而工程師會(huì)被質(zhì)問：“作為專業(yè)技術(shù)人員，既然你知道會(huì)倒塌為什么不提前采取措施?”將這兩方面問題同時(shí)溝通好是非常難的，政府和工程師要坐在一起解決。
為了解決這個(gè)問題，加州專門成立了抗震技術(shù)顧問委員會(huì)，它的職能就是直接為州政府提供抗震技術(shù)政策和核心抗震技術(shù)實(shí)施的咨詢，以幫助加州政府抗震工作的具體實(shí)施。在大地震發(fā)生后，地震委員會(huì)會(huì)向州長(zhǎng)辦公室提交三份報(bào)告：即《與時(shí)間賽跑》《更大的挑戰(zhàn)》和《基礎(chǔ)設(shè)施的安全》。從這三個(gè)報(bào)告中，就可以了解抗震技術(shù)委員會(huì)所做的工作。
其中《與時(shí)間賽跑》講的是緊急的救援和調(diào)研。民眾要第一時(shí)間知道為什么出現(xiàn)倒塌，哪些地方受到的破壞最嚴(yán)重及其嚴(yán)重程度。這部分對(duì)于橋梁工程師來(lái)說更加重要?！陡蟮奶魬?zhàn)》包含三個(gè)方面的內(nèi)容。一是現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)非常龐大，其中有很多是不滿足實(shí)際需求的；二是隨著我們的信息化系統(tǒng)工程的建立，數(shù)據(jù)整理的工作量具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性；最后一方面也是最重要的方面，即今后的抗震工作如何從以救災(zāi)為主轉(zhuǎn)變成以預(yù)防為主。第三份報(bào)告即《基礎(chǔ)設(shè)施的安全》是為發(fā)生大地震之前寫的。在大災(zāi)難發(fā)生之間都會(huì)有一段相對(duì)長(zhǎng)的平穩(wěn)時(shí)期，所有地區(qū)都一樣，政府在這段平穩(wěn)時(shí)期往往會(huì)掉以輕心。這份報(bào)告的目的就是為了提醒政府在發(fā)生任何災(zāi)難之前，要繼續(xù)進(jìn)行抗震研究，繼續(xù)推進(jìn)抗震加固的措施。下一次的大地震是肯定會(huì)發(fā)生的，只是我們不知道它什么時(shí)候發(fā)生而已。
《橋梁》：現(xiàn)在鐵路橋梁抗震在土木工程界屬于前瞻性的研究領(lǐng)域，它從研究到實(shí)際運(yùn)用會(huì)面臨哪些挑戰(zhàn)?
Dr.Seible：作為美國(guó)總統(tǒng)大選的一部分，今天美國(guó)加州就加州整個(gè)高速鐵路的建設(shè)經(jīng)費(fèi)問題也有一個(gè)全民的投票公決。此公決如果通過 (現(xiàn)已通過)，加州所面臨的很多問題都和中國(guó)相類似。比如加州有很多高速鐵路要么越過地震帶，要么沿地震帶建設(shè)，中國(guó)也是這樣的。我們很愿意了解中國(guó)這方面的建設(shè)情況，另外也很想和中國(guó)分享在高速鐵路抗震減災(zāi)方面的措施和經(jīng)驗(yàn)。
高速鐵路的功能特點(diǎn)要求其位移要非常小，不管是震前還是震后，其運(yùn)營(yíng)階段的剛度要非常強(qiáng)大。但實(shí)際的運(yùn)營(yíng)又要求，鐵路無(wú)論剛性再?gòu)?qiáng)也要有一定的位移能力、變形能力，如何解決這個(gè)矛盾問題是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。而公路就是要利用結(jié)構(gòu)變形的韌性來(lái)完成減震抗震，與鐵路的情況非常不同。
另一方面的問題是在大地震發(fā)生后，實(shí)際情況的緊迫性不允許我們?cè)倩▋扇齻€(gè)月的時(shí)間去調(diào)研原因、了解情況?，F(xiàn)在的要求是，在一兩個(gè)小時(shí)之內(nèi)就要知道什么地方有問題，什么時(shí)候能通車。這也正是為什么土木智能化系統(tǒng)在高速鐵路上極端重要的原因?，F(xiàn)在高速鐵路建設(shè)中已經(jīng)運(yùn)用了很多單獨(dú)的高性能傳感器，但我們需要的是一個(gè)好的傳感器群，并將它們聯(lián)系在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，再通過這個(gè)系統(tǒng)來(lái)處理問題。但這個(gè)方面現(xiàn)在仍處在研究階段，和實(shí)際應(yīng)用還存在差距。前不久，在美國(guó)圣地亞哥召開的關(guān)于結(jié)構(gòu)檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的高性能傳感器智能化研討會(huì)也旨在解決這一問題。
結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域前瞻性研究及運(yùn)用
《橋梁》：在上次的采訪中，您為我們介紹了美國(guó)在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域里的一些前瞻性研究方向，在過去的一年中它們是否有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展?
Dr.Seible：首先是新材料的運(yùn)用?，F(xiàn)在橋梁工程界越來(lái)越多的關(guān)注新材料的研制和運(yùn)用。這種新材料具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能，使用壽命長(zhǎng)。美國(guó)的勞動(dòng)力是非常昂貴的，所以使用性能好、耐腐蝕性強(qiáng)的材料從長(zhǎng)期效益來(lái)講更加經(jīng)濟(jì)。但經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間的實(shí)踐證明，由于高性能復(fù)合材料的價(jià)格比較昂貴，將其廣泛地運(yùn)用到橋梁建設(shè)中的進(jìn)程還比較緩慢，其推廣過程也有一定困難。以美國(guó)橋梁抗震加固領(lǐng)域?yàn)槔噙€是采用傳統(tǒng)材料的新技術(shù)，但橋梁上部結(jié)構(gòu)的耐久性加固已經(jīng)開始采用新研制的碳纖維復(fù)合材料。而且這種材料也推廣到了世界其他國(guó)家。
現(xiàn)在，美國(guó)橋梁正在進(jìn)入大規(guī)模的維護(hù)、翻新階段。我們更加注重橋梁的“結(jié)構(gòu)再生工程”，這包含兩個(gè)層面：一是對(duì)現(xiàn)有工程壽命的延長(zhǎng)，二是對(duì)新建橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)橋梁整個(gè)新系統(tǒng)壽命的延長(zhǎng)。由于能源危機(jī)的加劇，在過去的一段時(shí)間里，美國(guó)民眾對(duì)于整個(gè)交通系統(tǒng)有了認(rèn)識(shí)上的調(diào)整。這種調(diào)整帶來(lái)的結(jié)果就是，現(xiàn)在美國(guó)車輛的減載率有20％～25％，也就是說，更多的人愿意搭乘公共交通系統(tǒng)。人們開始意識(shí)到，可以用軌道交通來(lái)解決當(dāng)前能源緊缺的問題。所以，現(xiàn)在有很多輕軌和高速鐵路的項(xiàng)目都在討論當(dāng)中。
另外，在過去的幾年里，信息工程在土木工程領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。原來(lái)價(jià)格昂貴的高性能傳感器現(xiàn)在便宜了許多，得到了廣泛的運(yùn)用，在有些結(jié)構(gòu)中可以安裝上千個(gè)這樣的傳感器。可隨之而來(lái)的問題就是，如何給這些傳感器提供能源和電力呢? 又如何將大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并為政府基礎(chǔ)設(shè)施管理提供真正有用的信息? 所以，現(xiàn)在工程師們將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)到如何運(yùn)用結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的能量，并將其傳遞到傳感器上，形成一種自身能源運(yùn)用，使其成為一種智能傳感器。這已經(jīng)成為一個(gè)重要的項(xiàng)目，我正是這個(gè)項(xiàng)目的主要研究負(fù)責(zé)人。在工作的過程中發(fā)現(xiàn)，雖然我們對(duì)這個(gè)研究已經(jīng)投入了很大的財(cái)力和人力，但它與實(shí)際應(yīng)用層面仍存在很大程度的脫節(jié)。我也為此正在和加州州長(zhǎng)辦公室聯(lián)系，希望能將整個(gè)加州變成一個(gè)智能化的結(jié)構(gòu)體系。
這些問題的研究最后都會(huì)落實(shí)到如何在實(shí)際的建設(shè)中廣泛運(yùn)用。 把實(shí)驗(yàn)室里最新的研究成果真正轉(zhuǎn)化成建設(shè)中的實(shí)際運(yùn)用，整個(gè)過程需要相對(duì)長(zhǎng)的一段時(shí)間，在美國(guó)這需要10～15年。這個(gè)現(xiàn)象不僅僅出現(xiàn)在美國(guó)，這是世界各國(guó)土木工程界都需要解決的問題。
我國(guó)抗震研究的“不對(duì)稱”與“大脫節(jié)”
《橋梁》：您認(rèn)為美國(guó)的抗震經(jīng)驗(yàn)對(duì)中國(guó)有什么啟示? 您對(duì)中國(guó)的橋梁抗震現(xiàn)狀有什么建議?
Dr.Seible：美國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，無(wú)論是1989年的舊金山洛克龐馬地震還是1994年加州洛杉磯諾斯里奇地震，都導(dǎo)致了多座橋梁倒塌和嚴(yán)重的交通中斷現(xiàn)象。在這些地震抗災(zāi)實(shí)踐中美國(guó)雖然蒙受了很多損失，但更重要的是，也獲得了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。無(wú)論是相關(guān)方面的技術(shù)研究，還是相關(guān)部門的政策措施，都促使美國(guó)在過去的三十年里堅(jiān)持對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施做抗震加固以及防御措施，所以我們的交通基礎(chǔ)設(shè)施在經(jīng)歷震害的時(shí)候，表現(xiàn)得相對(duì)良好。
關(guān)于對(duì)中國(guó)橋梁抗震現(xiàn)狀的建議，塞泊院士攤開雙手，抱歉地一笑，表示對(duì)中國(guó)的情況不十分熟悉。坐在旁邊的孫峻嶺博士代替他談了對(duì)國(guó)內(nèi)橋梁抗震現(xiàn)狀的一些認(rèn)識(shí)和看法：
現(xiàn)在橋梁抗震總體來(lái)說存在著“三個(gè)不對(duì)稱和一個(gè)大脫節(jié)”現(xiàn)象。第一，震災(zāi)地區(qū)在全球的分布不對(duì)稱，震災(zāi)集中分布在幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)。很不幸，中國(guó)就在這幾個(gè)地區(qū)之一。而且，有史以來(lái)由于震災(zāi)死亡人數(shù)最多的國(guó)家就是我們中國(guó)。第二，全球范圍內(nèi)抗震技術(shù)的分布也不對(duì)稱，主要分布在美國(guó)和日本，而中國(guó)及其他第三世界震害多發(fā)國(guó)家的抗震成套系統(tǒng)、成熟系統(tǒng)都比較少。第三個(gè)相對(duì)嚴(yán)重的不對(duì)稱是由于國(guó)家的組織形式，在僅有的資源里還橫向分成幾個(gè)部委，豎向分成各個(gè)省、市、自治區(qū)。資源分割比較嚴(yán)重，各個(gè)部委對(duì)抗震的基本理念都不一樣，更說不上“一致”了。另外，我們的抗震技術(shù)從研究到實(shí)踐應(yīng)用過程存在著相當(dāng)大的脫節(jié)。以至于地震后，看著被水泥板壓在下面的孩子，我們束手無(wú)策。用手挖不出來(lái)，大機(jī)器也不敢動(dòng)，急需的輕型千斤頂卻沒有……
中國(guó)現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》是1989年頒布的，近二十年來(lái)一直都沒有更新過。我們迫切地需要適合現(xiàn)在建設(shè)實(shí)際的抗震減災(zāi)方面的技術(shù)規(guī)范。這些在國(guó)外已經(jīng)很成熟了，所以不要再重新發(fā)明同樣的東西了，要引進(jìn)集成。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的立場(chǎng)出發(fā)，我們應(yīng)該立足于自主，但是有些東西首先還是需要引進(jìn)。先引進(jìn)、消化，再根據(jù)中國(guó)自己的國(guó)情改進(jìn)，這樣對(duì)我們是有幫助的。我們還可以與國(guó)際一流的機(jī)構(gòu)合作，建立一個(gè)國(guó)際抗震研究中心，這個(gè)機(jī)構(gòu)可以直接對(duì)國(guó)家提出技術(shù)政策的建議。
短短數(shù)十分鐘的采訪，我們不僅了解到了美國(guó)結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域前瞻性的研究方向以及這些研究的實(shí)際運(yùn)用現(xiàn)狀，還對(duì)于美國(guó)在高速鐵路抗震方面的最新經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了交流。美國(guó)的橋梁建設(shè)發(fā)展比我們提前了幾十年，他們的經(jīng)驗(yàn)值得我們借鑒并從中得到啟發(fā)，并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況做出最快、最正確的反應(yīng)。目前，我國(guó)擁有世界上最大的橋梁建設(shè)市場(chǎng)，全世界的目光都集中在這里。希望這些相對(duì)前沿的經(jīng)驗(yàn)和資訊可以給正準(zhǔn)備大展拳腳的橋梁設(shè)計(jì)和建造者們一些實(shí)用的借鑒。
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加利福尼亞高速鐵路是一個(gè)連接南、北加州的高速鐵路系統(tǒng)，該系統(tǒng)是從舊金山經(jīng)由中央河谷(Central Valley) 到沙加緬度，以及經(jīng)由伊利諾斯州(Inland Empire) 延伸到洛杉磯與圣地亞哥。整個(gè)項(xiàng)目由加利福尼亞高速鐵路管理局計(jì)劃籌備，整個(gè)執(zhí)行計(jì)劃在2005年8月通過，2007年起開始進(jìn)行環(huán)境評(píng)估。
該項(xiàng)目總投資約為350億美元，如此大的項(xiàng)目通常是向政府和民眾共同集資。聯(lián)邦政府通過發(fā)行公債預(yù)計(jì)資助120-180億，剩余60-80億預(yù)計(jì)由民眾投資。聯(lián)邦政府于美國(guó)時(shí)間2008年11月4日以52.13％的同意率通過普選，發(fā)行了第一期99億5000萬(wàn)美元公債，其中90億美元用于開始興建舊金山到安那翰之間的路線，另外9億5000萬(wàn)美元用于改善區(qū)域客運(yùn)鐵路服務(wù)。
美國(guó)建造一個(gè)國(guó)家級(jí)的項(xiàng)目時(shí)首先要論證它的可行性和必要性，這不可以由一兩個(gè)領(lǐng)導(dǎo)決定，而是要先由專家對(duì)于地區(qū)人口交通成長(zhǎng)狀況進(jìn)行一番科學(xué)論證，然后由全體加州民眾表決才可以通過。人口學(xué)家的研究表明，加州在2020年人口將增加1100萬(wàn)人，對(duì)交通運(yùn)輸建設(shè)的需求日益增加。專家預(yù)估從洛杉磯到舊金山，開車至少需要8小時(shí)；至于搭飛機(jī)，加上地面交通和機(jī)場(chǎng)安全檢查的時(shí)間，預(yù)計(jì)共需3小時(shí)26分鐘。如果興建縱貫加州南北的高速鐵路，北起加州首府沙加緬度，然后到北加州重鎮(zhèn)舊金山，南下經(jīng)過洛杉磯，最后到達(dá)美國(guó)的邊境城市圣地亞哥。全長(zhǎng)1120公里，設(shè)計(jì)時(shí)速為360公里／小時(shí)，從洛杉磯至舊金山只需2小時(shí)25分鐘，即使加上中間停站時(shí)間也不超過3個(gè)小時(shí)。
