1、对城市桥梁的灾害及对策的分析【摘要】为了更好诠释了城市桥梁防灾减灾的内涵，本文将对五个典型案例进行了综合分析，客观地指出了当前我国在城市桥梁防灾减灾的现状和存在的问题，指出了当今国际桥梁界在该领域的发展趋势，并提出了相关对策建议， 以期引起人们对城市桥梁的防灾减灾问题的高度重视，推动我国城市桥梁建设的健康和可持续发展。【关键词】城市桥梁；灾害；对策分析 1 城市桥梁灾害的典型案例分析 众所周知，城市桥梁通常指城区范围内建造的跨河、跨江、跨海桥梁、立交桥梁及人行天桥等。我国现行的城市桥梁设计载荷标准 (CJ 77-98)将城市桥梁称谓为：城市内新建、改建的永久性桥梁和“城市高架道路结构以及承受机
2、动车辆荷载的其他结构物。”进入21世纪的最初十年，以东海大桥和杭州湾大桥为代表的标志性桥梁的成功修建，以及各类桥梁倒塌等灾害事故的频繁发生，充分表明当前既是我国桥梁建设快速发展的时期，又是城市桥梁发生倒塌事件的多发期。因此，我国在大力推进城市化进程的今天，人们尚需高度关注城市桥梁防灾减灾的相关问题。笔者通过对以下5个典型案例进行分析，以期引出人们对城市桥梁防灾减灾问题的关注和思考。案例1：1995年1月17日，日本时间清晨5点46分，北纬34.6度，东经135.0度， 日本阪神地区发生了一次强烈的地震，几万栋房屋倾刻变成了一片废墟，城市道路路面开裂，地基变形，铁道弯曲，列车轨，港口破坏，拦腰折
3、断的大楼倒下来将道路隔截，断裂的城市高架桥从几十米高处塌落下来，地震引起的火灾将神户市上空映得一片通红.这次地震震级为7.2级，造成人员死亡5466人，万多人受3伤，几十万 图1 日本阪神大地震道路桥梁损害 人无家可归，受害人数达140多万人，被毁房屋超过十万栋，生命线工程和大量 公共设施被严重破坏，造成经济 损失1 000亿美元。虽然这次大地震已经过去十多年了，但人们仍应从日本阪神地震灾害中总结如何防御和减轻地震灾害对城市桥梁的影响（见图1）。案例2：2007年6月15日，广东九江大桥被运沙船撞击了大桥23号墩，三个桥墩坍塌，大桥桥面200m倒入江中，4辆行驶在桥上的汽车坠入江中，致使8人死
4、亡。据了解，九江大桥全长1675.2m，是1988年建成通车的，其主航道为2160 m的独塔双索面斜拉桥，采用塔、梁、墩固结体系，塔高80m，曾被评为1991年国家优秀设计铜奖。专家组鉴定后认为该事故与大桥质量无关，大桥设计具有前瞻性。其非通航孔桥墩按横桥向撞击力392.3kN(40t) 进行船撞击的设防是合适的。但广东的桥梁专家就提出：“受撞击的桥墩设计撞击能力仅为392.3kN (40t)， 而西江水道上很多船只都是1kt2kt，设计者应充分考虑这一点”。同济大学的教授也提出：“如果九江大桥附近确因采砂造成河床下降，桥墩受到冲击力和引起震动，桥梁变形增大，久之，桥梁抗冲击力能力就会下降。”
5、笔者认为，从此撞击事故中人们亦应反思：对已建成的且防撞击标准不满足新设防标准的桥梁， 必须采取相应的技术、工程和管理上的防护措施，以应对突发事件造成的不良后果。而大桥遭受船舶撞击的事件在长江、珠江和淮河等河道上屡见不鲜。虽然这属于桥梁风险评价中不可抗力出现的案例，但仍需研究这类灾害的可预测性和可预防性(见图2)。 图2广东九江大学被撞击的情形案例3：2007年8月1日，美国明尼苏达州密西西比河的一座高速公路上的桥梁突然垮塌，近50辆车辆坠入高约18 m的河中，9人死亡，有数十人受伤，引起全世界的震惊，经排查排除了恐怖袭击的可能，系一起桥梁结构性垮塌事故和灾害。该大桥修建于1967年，桥梁为钢结
6、构拱桥，桥面距河面约20m，桥长为589 m。该桥2005年和2006年分别接受交通部门的检查，均未发现问题。但2001年由明尼苏达州交通部门的研究成果表明，大桥连接路堤河主桥的“引桥存在老化问题”支撑桥梁的主结构桁架也存在“老化问题”，研究显示：按大桥的桁架设计理论， 如果大桥一道两个支撑面断裂，则大桥有可能垮塌。但十分遗憾的是，最终的结论为：“大桥上承式桁架不可能发生老化断裂，大桥可以延后报废”。如果当初下结论时更慎重些，是否可以避免上述灾难的发生呢？这究竟是属于桥梁风险评价中的不可抗力，还是运营阶段出现失误而出现的案例尚需人们去思考，但从防灾减灾的角度去考虑，亦应分析其灾害的控制损失和控
7、制诱因等因素（见图3）。 图3 美国明尼达州的桥梁垮塌的情况案例4：2007年8月13日，湖南湘西土家族苗族自治州凤凰县境内在建的沱江大桥发生桥体坍塌，导致64人遇难的严重伤亡事故。胡锦涛总书记和温家宝总理均对此事故作出明确批示，要求严肃追究凤凰桥塌桥责任者，严防类似事故再次发生。沱江大桥系凤凰县至大兴机场二级路的一座公路桥梁。桥梁全长328m，跨度为4孔，每跨65m，高桥梁上部构造主拱圈为等截面圆弧拱。下部基 42m。础嵌在弱风化泥灰或白云岩上，由混凝土、块石构筑成的基础，全桥未设制动墩。最终的调查结论中其直接原因是：“大桥主拱圈砌筑材料未满足规范和设计要求，拱桥上部构造施工工序不合理，主拱
8、圈砌筑质量差，降低了拱圈砌体的整体性和强度，随着拱上施工荷载的不断增加，造成了1号孔主拱圈靠近0号桥台一侧约3 m4 m宽范围内，2号腹拱下的拱脚区段砌体强度达到破坏极限而坍塌，受连拱效应影响， 整个大桥迅速倒塌。”此外，还有擅自变更设计以及违反基建程序等问题。笔者认为，倘若原设计无大的缺陷，但在方案阶段选择了在不适宜修建拱式桥梁的场地上建造拱桥，特别是在拱桥施工中选用片石而不是选择合格的块石，且未浇注的合格的混凝土，未使桥体形成坚固的整体结构。因此，上述这些因素从防灾减灾的角度是值得人们去深入思考的（见图4）。 图4湖南沱江大桥桥体突然整体倒塌的案例5：2008年5月12日，我国四川省汶川发
9、生了8级强烈地震，给人民生命财产造成了严重的损害。这次大地震属特大灾害，是我国建国以来最为强烈的一次地震，直接受灾地区达10万km。这次大地震属逆冲右旋积压型断层地震，发震构造系龙门山构造带中央断裂带，在挤压应力作用下，由南西向北东逆冲运动 这次特大灾害共造成8万余人遇难，1万多人失踪，灾区的道路、桥梁、隧道、城镇、学校房屋和通讯等基础设施损毁严重，直接经济损失达8451亿元人民币以上。特别受重灾地区本身所处的地理位置地质基础和地质特征等因素的影响，灾后重建的成本很高，恢复也十分困难 这属于桥梁风险评价中的不可抗力的案例（见图5）。 图5 四川汶川特大地震房屋倒塌后的情形 2 诠释城市桥梁防灾
10、减灾的内涵 我国是世界上发生自然灾害最严重的少数国家之一， 灾害种类多， 发生频率高，分布地域广，且大部分地区以遭受地震和沥涝灾害为主，同时也包含气象灾害（风灾和沙尘暴）、地质灾害和其它灾害。现代科学观点认为各种灾害虽有偶然性和地区局限性，但从总体上来说它们具有明显的相关性和规律性。工程建设系统防灾减灾主要包括城乡房屋建筑和市政基础设施建设和使用过程中，防御和减轻地震、气象灾害的多种自然灾害的工作，并关注城市生命线工程的安全。而城市生命线工程是直接维系城市正常运转和灾害情况下减少灾害的关键环节和要害部门，它关系着城市的生存和发展。它包括： 道路交通、电力、通讯、燃气、热力、给水、排水等工程 它
11、们是城市运行的载体，由网络结构组成，通过网络为城市提供活力，为城市居民服务 而城市桥梁作为城市道路交通极为重要的组成部分，其防灾减灾问题必须引起人们的高度关注，上述五个典型案例充分说明了这一点。城市桥梁防灾减灾的内涵是在关注其灾害源灾害载体和承（受）灾体的前提下，提出如下三个对策：其一，消除城市桥梁灾害源或降低灾害源的强度，即减轻人为自然灾害的损失；其二，改变城市梁灾害载体的能量和流通渠道，以体现预防为主；其三，对城市桥梁受灾体采取避防与保护性措施，这是当前为减轻城市桥梁灾害损失所采取的最主要的措施。城市桥梁防灾减灾的技术措施主要包括：灾害监测：包括灾害前兆监测、灾害发展趋势监测等。灾害预报：
12、包括对潜在灾害，及发生时间、范围、规模等进行预测，为有效防灾做准备。防灾，既对自然灾害采取避防性措施， 这是代价最小且成效显著的减灾措施。抗灾，即对灾害所采取的工程性措施。救灾，这是灾情已经开始或遭受灾害最紧迫的减灾措施。灾后重建，准确的灾情评估是灾后重建的最主要的依据之一。城市桥梁（高架桥、立交桥、人行天桥等）作为城市生命线工程中的重要组成部分，它是城市交通线的枢纽工程，不仅其在灾害（如地震、涝沥）中造成破坏和倒塌是人们关注的，而且其次生灾害（因交通中断及其它设施的毁坏造成间接的经济损失）也十分巨大。国内外有关专家提出桥梁结构按“小震不坏，中震可修，大震不倒”三个水准抗震设计的三阶段抗震设计
13、方法。城市桥梁工程防灾减灾目前普遍的做法是，采用先进的技术，在满足桥梁使用功能的同时，提高其综合防灾能力。我国在进行现代化的建设中，铁路、公路、桥梁、库坝、矿山、城市布局与建设、工农业生产等都与工程地质与水文地质息息相关，而地质灾害又是工程与水文地质必须面对的最实际问题。中国地域辽阔，地质条件复杂，地壳运动频繁，地质灾害种类繁多，地震、滑坡、泥石流、崩塌、地裂缝、渗透变形、地面沉降、水土流失、地下水污染，以及瓦斯爆炸、煤田自燃等等，都对环境质量、人类安全及整个生物圈的生态平衡具有直接或间接的影响。地质灾害由自然地质作用和人为地质作用形成。我国由于滑坡、泥石流、地面塌陷、崩塌等造成的突发性地质灾
14、害每年损失达数十亿元， 并带来大量人员伤亡。因此，在我国社会主义的现代化建设过程中，保护地质环境、防治地质灾害已成为刻不容缓的紧迫任务。3我国在城市桥梁防灾减灾存在的问题 当前我国在城市桥梁防灾减灾方面主要存在以下问题：1）对加强城市桥梁防灾减灾工作的重要意义认识不足，未从城市桥梁防灾减灾是保障人民生命财产安全的重要举措，是促进我国可持续发展的战略高度去认识问题。由于我国近年来极端性天气事件增多，地震灾害经常出现，人为灾害时有发生，我们应把城市桥梁防灾减灾工作列为一项长期、艰巨而又十分重要的任务。2）城市桥梁防灾减灾的体制和机制尚需改革，各地的灾害管理工作机构不健全，还缺少灾害管理工作程序和制
15、度，配备必要的人员、经费等工作条件，特别是灾害发生时部门之间还缺少联动机制。3）由于经济的快速发展，现代城市基础设施（包括城市桥梁）多数处于超负荷状态，而材料和结构的性能又会由于老化、腐蚀和反复荷载作用的疲劳而蜕化。因此在灾害条件下的易损性将愈来愈大。我们对已建成的基础设施缺乏严格的防灾管理和维护改造，缺少科学的评价制度，对其耐久性和使用寿命缺乏定量的数据。4）近些年来我们在城市建设上发展迅速，由于建设周期短，既缺乏深入的研究，又没有成熟的防灾减灾设计规范（国内在此方面尚为薄弱环节），当遭到严重灾害袭击时很难保证能从容应对。5）尚需加强对城市桥梁灾害科学的研究，还缺少对城市桥梁各类灾害的成因科
16、学的成因机理分析，譬如，缺少对水灾、地震及不可预见的其它灾害生成机理，外在表现，损失大小及造成社会后果等的系统的、科学的分析研究。如桥梁随意遭受船舶的撞击。6）对已建城市桥梁还缺少必要的调查和检测，不少地方的城市桥梁超负荷承担着车辆荷载。例如我国华北和华南地区的一些城市桥梁，由于经常过往超载的车辆（如运煤车，货柜车）造成桥梁结构严重受损，其使用寿命大大缩短，甚至出现危及人民群众生命财产安全的重大隐患。4 城市桥梁防灾减灾的发展趋势 对城市桥梁防灾减灾的发展趋势综述如下： 4.1 桥梁灾害风险评估的研究 城市桥梁防灾减灾的内涵是在关注其灾害源、灾害载体和承（受）灾体的前提下提出的相关对策。而城市
17、桥梁风险评价的就是关注城市桥梁在前期、建造、运营和遇有不可抗力等不同情况下，对城市桥梁损失的概率进行评定和估定价值。为应对桥梁灾害的发生，国际上对桥梁风险评估的研究和分析已有很成功的经验；常用的方法有：层次分析法、模糊数学法、概率统计法、敏感性分析法、蒙特卡罗模拟法、CIM模型和影响图法以及调查和专家打分法等。工程中常采用对桥梁结构承载能力的评估和对桥梁结构损伤（缺陷）预测和评估进行桥梁风险评估。4.2 桥梁群体震害的研究 相关文献表明，我国科研部门积极研究桥梁群体震害预测方法的理论，并采用模糊数学、灰色系统理论和概率分析方法，建立了中、小型桥梁群体震害预测的数学模型。有的学者在对江南一带城市
18、地震震害预测工作中桥梁抽样单体震害预测经验法的计算基础上，给出了公路桥梁在不同地震烈度影响下的单因素评价矩阵，为区域性的地震震害预测工作提供了一个有力的实用工具。4.3 防灾减灾基础性研究 我国设置专门机构研究防御和减轻自然灾害为主的各类灾害的基础性学术研究，内容包括：地震与地质灾害、气象灾害、爆炸与火灾、以及其它对人类生存和社会发展造成危害的各类灾害。开展多种灾害学间的学术和科技成果交流，加强自然科学与社会科学在灾害科学方面的结合，推动防灾减灾工程领域的科学研究，促进有效减灾，为可持续发展战略服务；为从事防灾治灾研究的科学工作者、政府和企事业部门的防灾减灾专业技术人员及大专院校有关专业的师生
19、提拱学术交流的园地。4.4 桥梁结构承载能力的评估桥梁运行评估最首要的是如何合理评估既有桥梁的承载能力并使之规范化。 桥梁承载力的评估应是建立在现有桥梁设计规范的基础上且不同的桥梁构件承载能力的表达方式是不同的。国外学者提出承载能力评估方法被广泛采用，其主要思想是用各种构件的活载承载能力和各种桥梁构件在设计活载下的最大弯矩、剪力和轴力的比作为各单元承载能力的评估指标。对于不同形式的桥梁，其承载能力的评定方法也不同常用的方法包括：基于外观调查评定法，基于设计规范的方法，荷载试验的方法，基于专家经验的方法，基于结构可靠度理论的方法等。桥梁作为一个国家交通的命脉，桥梁的建造和维护是一个国家基础设施建
20、设的重要部分。桥梁在方便交通和生活的同时，也带来了诸多安全隐患。目前，全国的大型桥梁有数十万座，中小型桥梁有 数百万座，其中大多是在上世纪80年代90年代修建的，由于受当时的设计指标、施工水平和材料的限制，以及在超过20a的使用过程中不可避免的难事故。当桥梁坍塌后，如果不能进行及时性的报警，就会造成更大的损失。当灾难来临时，早一秒钟报警，就能少一份损失，因此，对桥梁突发性事件进行报警，可以最大限度地降低经济损失和人员伤亡，显得尤其重要。重庆市某科技公司根据市场需求自主研发了桥梁突发事件报警系统，该系统以单片机技术和GPRS无线通信模块为基础，采用有线与无线通信相结合的方式， 对桥梁突发事件进行
21、可靠报警。系统的主机和从机，均采用高性能的CPU，对信号的响应可达到毫秒级，自带硬件看门狗可保障程序无故障运行并带有自恢复能力；规范的防雷和防浪泳设计可有效防止因雷击造成的对通信的影响，杜绝误报现象；独有的报告功能可有效地将设备的运行情况告知路网监测中心，工作人员可根据此信息对设备和线路进行检修和更换，避免因人为、恶劣天气、老化等原因导致设备损坏而造成漏报现象，起到双保险的作用。该系统是一种成本低廉、准确可靠、系统构成简单、维护难度低、能耗小的报警系统。特别适用于一些中、小型桥梁的突发性事件报警。当桥梁遭遇突发性事件时，比如船的撞击、地质灾害， 甚至战争，这些都可能导致桥梁的坍塌，造成突发性灾
22、难事故时，该系统能够在最短的时间内发出警报，使管理人员能够及时采取紧急预案让驾乘人员及时的反应，最大限度地降低经济损失和减少人员伤亡。4.6 计算机仿真技术的应用 针对我国是一个灾害多发国家，且目前处于经济高速发展阶段，各种自然和人为灾害对桥梁工程造成严重威胁。清华大学针对灾害的区域性、突发性和毁灭性等特点，采用计算机仿真技术，解决桥梁防灾的专题研究。清华大学土木工程系开展了高性能计算的桥梁防灾研究。包括基于大比例桥梁模型实验对桥梁结构非线性计算方法的探讨和验证，对各种尺度下多种桥梁灾害行为的高性能仿真分 析。例如，在小尺度范围内研究了单体桥梁受到超重车辆过桥时的动力作用， 以及受到超高车辆撞
23、击作用。在大尺度范围内研究了地震行波效应对超长高架桥梁破坏的影响。针对高性能仿真遇到的关键瓶颈问题 桥梁非线性建模问题，开发了桥梁非线性快速建模方法，为深入研究高架桥梁体系在各种灾害下的破坏模式和安全状况提供了依据。5 相关对策建议1）应充分认识城市桥梁防灾减灾问题的极端重要性，各级领导和相关部门亦应从城市桥梁作为城市生命线工程最重要组成部分，高度关注此问题。2） 应加快我国在城市桥梁防灾减灾方面的标准规范和技术规程等的编制工作，积极开展相应的科研工作，高等院校 科研机构应和从事城市桥梁建设的设计、施工、监理和建设方密切结合，共同推进我国城市桥梁风险评价领域的发展。3）对已出现的城市桥梁防灾减
24、灾方面的事故和案例，本着科学、客观、公正的态度，将最终的结论公之于众，并组织召开专题研讨会，使更多的人从国内外发生的事故案例中汲取有益的经验和教训，防微杜渐，通过共同努力，使我国城市桥梁的风险损失降至最低。4）应进一步加强城市桥梁防灾减灾的专题研究，在人力和资金上给予充分的投入，引入创新的理念和运作机制，积极开展城市桥梁风险评价的创造性工作。5）应在准确 细致的灾害调查基础上，对建筑交通和社会基础设施的现有荷载设置、设计方法和规范进行系统的评估，总结经验教训，并为建立更为安全、合理的防灾设计体系提供科学依据。由此需要我们对建筑和桥梁结构的安全防护与监测、环境保护与节能、新型建筑材料的开发与推广
25、、网络化监测与控制等领域进行系统的开发研究。在工程建设和社会服务方面，确立实验室在建筑综合安全与节能研究方面的国内领先地位，在为国家和地方经济建设、防灾减灾学科和可持续发展发挥积极作用的同时，形成一批具有自身特色和独立知识产权的科研成果，在理论研究、技术开发应用推广和人才培养等多个方面都得到跨越式的发展。6）应总结四川汶川特大地震的有益经验，根据震害所造成的损失情况分析结果，适当调整我国的地震区划，适当提高我国结构抗震设防标准；专题研究城市桥梁的设防标准，提高城市桥梁抗御灾害的的能力，进而避免和减轻重大的地震灾害。7） 针对我国城市桥梁防灾减灾的基础性工作很薄弱的特点，应尽快建立桥梁风险评价基
26、础资料的数据库，包括桥梁事故、灾害实例数据库等。应对自然灾害的风险：如风暴 潮流及波浪灾害风险暴雨及内涝地震及海啸风险雷击风险等；意外事故风险（不可抗力）船舶碰撞桥梁结构施工技术创新要施工设备管理及责任风险等进行深入的研究，并提出相应的对策措施。8）加强与国际同行的交流，积极关注国际上该领域发展趋势，及时了解和搜集国外的最新科研成果，开展国内外的学术交流活动，大力促进我国城市桥梁防灾减灾方面的技术进步，推动我国城市桥梁建设的可持续发展。【参考文献】【1】 李风.工程安全与防灾减灾M.北京： 中国建筑工业出版 社，2005.【2】 穆祥纯.论北京城市桥梁设计的创新技术C/第十七届全国桥梁学术会议论文集.重庆： 人民交通出版社，2006.【3】 穆祥纯.我国城市桥梁工程事故案例及其风险评价的对策研究J.北京： 特种结构，（4.2007）【4】 穆祥纯.北京中关村科技园区城市生命线工程的防灾减 灾J.特种结构，（3.2003）【5】邓民宪， 宋龙伯.桥梁群体震害预测方法的研究J.防灾
