橋梁抗震性能評價與抗震加固技術(shù)

1、西部交通建設(shè)科技項目交通編號：合同號：2002 318 000 28單位編號： 分類號：密級:橋梁抗震性能評價及抗震加固技術(shù)研究技術(shù)總報告（簡本）交通科研交通部公路科學研究院省公路科學技術(shù)研究所2006年11月橋梁抗震性能評價及抗震加固技術(shù)研究研究報告（簡本）簡介“橋梁抗震性能評價及抗震加固技術(shù)研究”是交通部 西部交通建設(shè)科技項目。該項目由交通部組織，項目承擔單 位為交通科研，交通部公路科學研究院、公路科學研究所， 項目參加單位包括清華大學、理工大學等多家科研院所和高 等院校。該項目總體目標是：結(jié)合我國西部地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的具體 特點，將調(diào)查研究、理論分析與試驗方法相結(jié)合，開展適合 西部地區(qū)特點、

2、并有在全國其他地區(qū)推廣前景的橋梁結(jié)構(gòu)抗 震性能評價及抗震加固技術(shù)研究，通過本項目依托工程的具 體實施，形成橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能評價及抗震加固成套技術(shù)。該項目是我國到目前為止投入經(jīng)費最高（590萬），參 加單位和人員最多和研究時間最長的橋梁抗震技術(shù)研究項 目。經(jīng)過5年的刻苦攻關(guān)，該項目圓滿完成，解決了我國橋 梁抗震性能評價及抗震加固技術(shù)方面的主要關(guān)鍵技術(shù)問題， 取得了一系列具有國際先進水平的技術(shù)成果， 部分研究成果 處于國際領(lǐng)先水平。背景我國現(xiàn)行公路工程抗震設(shè)計規(guī)(JTJ004 89)在80 年代中期開始修訂，于1989年正式發(fā)行。隨著我國90年代 交通事業(yè)迅猛發(fā)展，該規(guī)已遠遠不能適應。但是目前所有

3、國 的橋梁設(shè)計，對抗震設(shè)計均在設(shè)計書上標明的參照規(guī)即是公路工程抗震設(shè)計規(guī)和鐵道工程抗震設(shè)計規(guī)。但這 些規(guī)采用的抗震技術(shù)已經(jīng)遠遠落后于國際先進水平。1971年的美國圣費南多地震，僅是中等強度震級(M6. 5 級)，造成了橋梁工程的嚴重破壞。這次地震成為美國乃至 全世界橋梁抗震技術(shù)發(fā)展的一個轉(zhuǎn)折點。1971年前，美國 各公路橋梁設(shè)計準則中的抗震設(shè)計部分是根據(jù)加利福尼亞 州關(guān)于建筑物橫向力的規(guī)定而制定的。此次地震后，1973年加利福尼亞州運輸部(Cartrans)提出了新的橋梁抗震設(shè) 計準則；1975年AASHT(根據(jù)Cartrans73年條文略加修訂 制定了一個暫定規(guī)，它適用于美國的所有地區(qū)。所以

4、，1971 年圣費南多地震是美國橋梁抗震設(shè)計準則編制的一個重要 轉(zhuǎn)折點。同時，美國應用技術(shù)委員會(ATC)對橋梁抗震設(shè)計 若干問題進行深入調(diào)查與研究，于 1981年提交了美國公路 橋梁抗震設(shè)計指南報告，并在多年后列入 AASHT編制的公 路橋梁設(shè)計規(guī)中。隨后的1989年和1994年，美國兩次受到中等強度地震 (Loma Prieta 地震和Northridge 地震)襲擊，導致了橋 梁的嚴重破壞；1995年日本Kobe地震同樣是一個中等強度 的地震，造成大量高速公路、高速鐵路橋隧的破壞，使經(jīng)濟 遭受巨大損失。如都以當時的幣值為準，以上三次中等強度 地震導致城市經(jīng)濟總損失分別為 70、200、1

5、500億美元。發(fā)生在抗震技術(shù)處于世界先進水平的美國和日本的這 幾次中等強度地震造成的嚴重災害使得世界圍的抗震研究 人員開始反思，同時促進了抗震技術(shù)在近20年的深入發(fā)展， 特別是提出更先進的概念和具體的措施。日本1995年阪神地震后，對結(jié)構(gòu)抗震的基本問題重新 進行了大量的研究，并十分重視減振、耗能技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震 設(shè)計中的應用。橋梁、道路方面的抗震設(shè)計規(guī)已經(jīng)重新編寫， 并于1996年頒布實 施；美 國也相繼 在聯(lián)邦 公路局和 Caltra ns等的資助下開展了一系列的與橋梁抗震設(shè)計規(guī)修 訂有關(guān)的研究工作，已經(jīng)完成了多部系統(tǒng)的抗震技術(shù)研究報 告和技術(shù)指南（ATC18 ATC32和ATC40K與舊規(guī)相

6、比，新規(guī) 或指南無論在設(shè)計思想、設(shè)計手法、設(shè)計程序和構(gòu)造細節(jié)上 都有很大的變化和深入。相比之下我國現(xiàn)行公路工程抗震 設(shè)計規(guī)水準遠落后于國外同類規(guī)。若不進行改進，其后果 必然是我國不少的橋梁工程將留下地震隱患。我國在地震后，鐵路工程抗震規(guī)和公路工程抗震 規(guī)都經(jīng)過專題研究，先后在1989年與1990年正式頒布了新的修改版，城市橋梁抗震設(shè)計參照此兩本規(guī)執(zhí)行。但是， 編制于改革開放初期的這兩本規(guī)并未能充分吸收當時美國 等發(fā)達國家的研究成果以及震害教訓和經(jīng)驗。 我國政府部門 已經(jīng)認織到上述問題。建設(shè)部、交通部和鐵道部分別開展了 相關(guān)抗震技術(shù)規(guī)的編修工作。但是規(guī)編修工作只是將相對成 熟的應用技術(shù)進行歸納總

7、結(jié)和標準化，一般難以對基礎(chǔ)性關(guān) 鍵問題進行深入研究；同時，新規(guī)實施之前建成的橋梁，其 抗震能力如何評價？如果抗震能力不足，則應如何進行抗震 加固？這兩個問題正是本項目需要重點攻克的基本問題。要解決這兩個基本問題就必須全方位把握橋梁抗震技術(shù)的各 個方面，主要是：1、抗震設(shè)計理念。從1970年代及之前的單一強度設(shè)計 理念發(fā)展到國際上逐漸采用的基于性能的抗震設(shè)計(Performance-Based Seismic Design );2、地震動輸入?yún)?shù)。從過去單水平設(shè)防、一階段設(shè)計 發(fā)展到現(xiàn)在的多水平設(shè)防、多階段設(shè)計，如何確定合理的地 震動輸入?yún)?shù)是結(jié)構(gòu)抗震的基本問題之一；3、抗震措施。從過去采用直觀

8、的、定性的、概念性的 抗震措施發(fā)展到現(xiàn)在采用分析的、 定量的、具體的減、隔震 技術(shù)、能力保護設(shè)計、防落梁措施等；4、抗震性能評估(計算)。從過去采用單指標的、簡化的、線性評估方法發(fā)展到現(xiàn)在采用多指標、 綜合的、非線性 的評估方法；5、抗震加固。從過去在抗震加固中采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)加 固技術(shù)到發(fā)展專門的抗震加固技術(shù)、從過去對局部的抗震加 固發(fā)展到結(jié)合概念設(shè)計的綜合加固。因此，本項目必需完成對橋梁抗震技術(shù)的全方位研究。 為保證研究取得切實的進展，研究水平能與國際一流水平接 軌、研究成果能應用于實際工程，課題組重點加強了調(diào)研工 作。通過大量收集、消化和吸收國外研究成果，課題組對數(shù) 十年來國外橋梁震害的主

9、要規(guī)律、特點進行了全面歸納總 計；對歐洲、美國、日本等西方發(fā)達國家的相關(guān)規(guī)、標準、 指南進行了系統(tǒng)的學習；對我國地震多發(fā)地區(qū)橋梁開展了大 量的現(xiàn)場調(diào)查和分析。在此基礎(chǔ)上，課題組制定了理論分析、 試驗研究、軟硬件系統(tǒng)研發(fā)等工作，取得了系統(tǒng)的研究成果。 主要研究工作容針對我國公路工程抗震設(shè)計規(guī)(JTJ004-89)頒布后 建成的梁式橋，進行抗震性能評價及抗震加固技術(shù)的調(diào)研、 理論分析、試驗研究和依托工程實施。項目分五個子課題進 行研究，即：1、公路橋梁抗震性能評價與抗震加固技術(shù)指南2、公路橋梁抗震性能診斷檢測技術(shù)與相關(guān)模型試驗3、公路橋梁抗震計算與抗震性能評價方法4、公路橋梁抗震加固方法與加固材料

10、成套技術(shù)研究5、公路橋梁抗震加固的具體實施與后評價各個專題均圓滿完成了研究任務，并形成了相應的專題 研究報告。在五個研究報告的基礎(chǔ)上形成了項目技術(shù)總報 告。“公路橋梁抗震性能評價與抗震加固技術(shù)指南”研究專 題對我國地震活動概況、國外地震工程發(fā)展情況、歷史破壞 性地震中典型的橋梁震害以及橋梁抗震加固技術(shù)進行了整 理與歸納總結(jié)；調(diào)研與分析是課題研究、編寫指南 框架 的重要依據(jù)，在專題報告中，給出了 34座公路橋梁的詳細 分析過程；指南也在此專題中體現(xiàn)，從 6個方面來實現(xiàn) 橋梁抗震性能的評價?！肮窐蛄嚎拐鹦阅茉\斷檢測技術(shù)與相關(guān)模型試驗”研 究專題通過對橋梁的靜動力測試方法、典型墩柱構(gòu)件的延性 檢測

11、、梁式橋抗震性能的室模型實驗技術(shù)進行研究， 結(jié)合有 限元分析計算，對梁式橋的抗震性能提出了合理的檢測評價 方法。為公路梁式橋的抗震計算模型和抗震性能檢測和評價 體系提供完整、準確、可靠的技術(shù)參數(shù)。課題組完成的主要 工作是：針對梁式橋進行實地調(diào)查，建立基于有限元分析和 Pushover算法的梁式橋的抗震性能鑒定體系；針對梁式橋 橋墩進行了墩柱模型抗震性能的試驗研究，對影響梁式橋橋 墩性能的各個參數(shù)進行了試驗和理論分析，為橋梁整體抗震 性能的評估體系提供了可靠的關(guān)于橋墩延性性能的指標； 通 過對梁式橋整體抗震性能的研究，建立基于梁式橋整體抗震 性能的抗震鑒定成套技術(shù)；完成了 1座3跨大比例簡支梁橋

12、 的地震臺陣試驗研究。1. 1 ., -. IIU3H111JM | Hfi 亠 LU0 M. |Bin11 鴉130I! 1 11 1 1V1L M圖1世界首例三跨簡支梁橋大比例全橋模型地震臺陣試驗示意圖“公路橋梁抗震計算與抗震性能評價方法”研究專題結(jié) 合近年結(jié)構(gòu)抗震的發(fā)展趨勢，針對大跨度、高墩長周期橋梁 的地震動輸入、分析和評價方法進行了研究，同時，為了給 新的橋梁抗震設(shè)計規(guī)提供一些參考， 收集了美國、歐洲、日 本的相關(guān)規(guī)，對研究、設(shè)計中所關(guān)心的問題進行了對比分析， 并在該研究項目中首次提出基于模態(tài)分析的Pushover方法。橋梁抗震計算可視化智能系統(tǒng)（BAS的程序編制報告、 用戶使用手冊

13、及程序測評報告也包含在專題報告三中。匸I問膽I圖2自主知識產(chǎn)權(quán)的橋梁抗震計算可視化智能系統(tǒng)（BAS“公路橋梁抗震加固方法與加固材料成套技術(shù)研究” 研 究專題針對我國西部地區(qū)公路橋梁提出了推薦采用的防止 落梁加固措施的加固材料、設(shè)計方法、施工工藝；提出了柱 式橋墩抗震加固方法的加固材料、 設(shè)計方法、施工工藝；形 成了公路橋梁抗震加固方法與加固材料成套技術(shù)。 通過對國 外震害資料進行查詢和調(diào)研，熟悉了國外采用的抗震性能評 價方法及加固措施等，并對已建橋梁進行抗震性能分析和評 價，從而對已建橋梁提出加固設(shè)計意見， 進行抗震加固，最 后對加固后的橋梁進行后評價并提出加固方法等的改進意 見。(a)試驗總

14、裝(b)破壞后的塑性鉸圖3 矩形橋墩擬靜力試驗照片“公路橋梁抗震加固的具體實施與后評價”研究專題完成了對本項目研究成果的應用和檢驗，該專題深入開展新平 縣石羊江橋、南澗縣魏山河橋、南澗河橋等三座西部公路橋 梁的抗震性能檢測和抗震加固工作，為本項目研究成果的推 廣應用提供了典型的成功案例。圖4 橋梁抗震加固現(xiàn)場照片主要研究成果課題組從橋梁抗震性能檢測、評價、分析方法、抗震設(shè) 計、抗震加固等方面對“公路橋梁抗震性能評價及抗震加固 技術(shù)研究”課題開展了系統(tǒng)深入的研究。從西部公路橋梁的 調(diào)研開始，大量收集、學習國外關(guān)于橋梁抗震性能評價及加 固的相關(guān)資料，結(jié)合對西部已建、新建的數(shù)十座公路橋梁的 抗震性能

15、評價研究和數(shù)十個橋墩的擬靜力試驗及全橋的振 動臺陣地震模擬試驗，分析研究并歸納總結(jié)了檢測、分析和 評價方法以及抗震設(shè)計、抗震加固的主要容和技術(shù)方法。取 得的主要研究成果包括：1、編制了公路橋梁抗震性能評價及抗震加固技術(shù)指南（1）收集了 1966-1999年國外橋梁震害的資料，研究了 震害特點及經(jīng)驗和教訓；整理了橋梁抗震分析理論 和抗震設(shè)計方法的發(fā)展歷程和各種方法的適用性， 并采用其中的方法對60余座簡支梁橋、剛構(gòu)橋、 連續(xù)梁橋、連續(xù)-剛構(gòu)組合梁橋進行了抗震性能評 價；研究了國外成熟的、經(jīng)濟實用的橋梁抗震加固 技術(shù)，并納入指南。（2）指南給出了抗震性能評價的流程，提供了分析、 評價方法，并針對既

16、有橋梁給出抗震加固時采用的 具體可行的方法。將橋梁抗震性能的評價分為一級 評價和二級評價。一級評價以宏觀控制為主，根據(jù) 綜合評分結(jié)果劃分等級；二級評價以抗震驗算為 主，主要是選定適合的計算、評價方法針對構(gòu)件的 抗彎、抗剪、穩(wěn)定性等的驗算，同時融入延性的概 念，綜合評分后進行等級劃分。指南為橋梁結(jié) 構(gòu)的抗震性能評價提供了依據(jù)，不限于我國西部橋 梁，也適合于其它地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能評價。2、在公路橋梁抗震性能診斷檢測技術(shù)與相關(guān)模型試驗研究 方面取得了一系列研究成果。（1）對國外的橋梁抗震性能評估方法、 各國的橋梁抗震 規(guī)進行消化吸收和深入的研究，并將這些成果應用 于梁式橋的抗震鑒定和評估以及新一

17、版的公路工 程抗震設(shè)計規(guī)的編制之中；（2）發(fā)展針對既有梁式橋的抗震性能評估體系， 建立了 一套橋梁抗震評估外觀檢查和性能鑒定的規(guī)程，研 究如何對現(xiàn)有橋梁進行外觀、結(jié)構(gòu)性能以及材料性 能進行評估；（3）對橋墩進行延性性能的室試驗，結(jié)合理論分析方法 發(fā)展了針對這些橋墩延性性能評價方法，并結(jié)合試 驗結(jié)果提出了改進方法。（4）通過對符合89規(guī)的27個橋墩模型抗震性能的計算 和試驗分析，得到如下結(jié)論：理論計算和試驗結(jié) 果基本吻合，表明纖維單元模型理論適用于我國西 部地區(qū)矩形橋墩的抗震性能分析，同時也表明項目 組完成的模型試驗方案合理，制作精良，試驗數(shù)據(jù) 準確可靠；在試驗考察的設(shè)計圍，我國西部地區(qū) 矩形橋

18、墩1/5相似模型具有良好的延性；盡管我 國西部地區(qū)矩形橋墩1/5相似模型具有良好的曲 率延性和位移延性，但由于縱筋率總體上偏低，因 此可能造成震后維修圍廣、工作量大、費用高、工 期長，在地震作用較大時，橋墩將產(chǎn)生過大位移， 其殘余變形將超出允許的圍，造成大震后橋梁需大 面積拆除重建，造成嚴重的經(jīng)濟損失和負面的國和 國際影響；本研究項目的理論分析和試驗結(jié)果均 表明即使橋墩的延性性能較好，橋梁仍然會發(fā)生較 大的地震破壞。因此，在橋梁抗震設(shè)計和橋梁抗震 性能評價中，既要重視橋墩延性的設(shè)計和檢算，也 要重視橋墩的抗彎和抗剪強度；本研究項目的試 驗表明當縱筋率和軸壓比較低時，即使箍筋率較低（試驗中最低試

19、驗方向配箍率為 0.74%）的橋墩模 型也表現(xiàn)出良好的延性（試驗中為 3）。因此，通 過提高箍筋率來提高橋墩的延性不一定是可行的；橋墩的抗震延性受到軸壓比、箍筋率、縱筋率、 墩高、截面形式等因素的影響，在考察橋墩的抗震 性能時，應該對這些因素進行綜合考慮并嚴格按照 相關(guān)的理論進行計算分析，才能準確把握橋墩的抗 震性能。(5) 課題組根據(jù)調(diào)研資料和我國公路橋梁的實際情況， 并結(jié)合課題組從事橋梁工程設(shè)計、檢測和試驗研究 的經(jīng)驗，確定了橋梁抗震性能診斷檢測容， 研究形 成了一套實用方法。具體包括：將橋梁抗震性能 檢測工作容分為檢查和測試二個部分，并制定了橋 梁抗震性能診斷檢測流程圖；制定了橋梁抗震性

20、 能現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)統(tǒng)計表，依照該表可完成對橋梁抗 震性能的檢查工作，并確定其抗震性能評估等級； 總結(jié)了針對抗震性能檢測的橋梁動力特性測試 試驗方法和橋梁構(gòu)件及材料力學性能檢測方法。(6) 課題組根據(jù)制定的橋梁抗震性能診斷檢測流程， 對 石羊江橋進行了實橋調(diào)查及檢查，并完成了該橋的 抗震性能檢測及試驗。根據(jù)檢測診斷結(jié)果，課題組 總結(jié)了石羊江橋抗震性能存在的主要問題。3、研發(fā)了橋梁抗震計算可視化智能系統(tǒng)(BAS該系統(tǒng)實現(xiàn)了：與AutoCAD軟件無縫接合；快速簡潔實 用的橋梁模板建模方式；功能強大的網(wǎng)格劃分器；功能強大 的截面特性計算模塊；人性化的人機交互方式；強大的模型 數(shù)據(jù)檢查功能；完備的荷載輸入

21、形式；核心分析模塊采用面 向?qū)ο蟮木幊谭绞?；強大的計算功能；強大的后處理功能?強大的數(shù)據(jù)管理功能。4、在公路橋梁抗震加固方法與加固材料成套技術(shù)研究方面 取得了一系列研究成果。課題組在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)了國外規(guī)、指南和科 研項目對橋梁抗震加固工作，對國外橋梁加固的現(xiàn)狀和發(fā)展 情況做了概括，既方便了后續(xù)工作，也可供參考。針對西部山區(qū)存在的橋梁特點，對規(guī)則梁式橋的抗震加 固措施進行了詳細探討，并進行了三種不同加固方法的墩柱 試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析和文獻調(diào)研結(jié)果， 給出了防落梁和 柱式橋墩的加固方法、加固材料和施工工藝。本次橋梁墩柱試驗研究是目前國同類試驗中規(guī)模最大、 最為系統(tǒng)的一次試驗研究，對主筋增強、箍筋增強、碳纖維 材料和玻璃纖維材料加固等多種加固方法的原理、材料選 擇、設(shè)計和施工工藝進行了試驗研究，取得了一系列研究成 果。5、完成了依托工程抗震性能檢測、加固和加固后評價工作。完成了對省石羊江橋、魏山河橋和南澗河橋的抗震加固工作。研究成果的創(chuàng)新性項目取得了八項重要研究成果，