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1、西部交通建设科技项目合同号：2002 318 000 28密 级：交通编号：单位编号：分 类 号：桥梁抗震性能评价及抗震加固技术研究技术总报告（简本）重庆交通科研设计院交通部公路科学研究院云南省公路科学技术研究所2006年11月西部交通建设科技项目：桥梁抗震性能评价及抗震加固技术研究 技术总报告（简本）桥梁抗震性能评价及抗震加固技术研究研究报告（简本）简介 “桥梁抗震性能评价及抗震加固技术研究”是交通部西部交通建设科技项目。该项目由交通部组织，项目承担单位为重庆交通科研设计院，交通部公路科学研究院、云南公路科学研究所，项目参加单位包括清华大学、大连理工大学等多家科研院所和高等院校。该项目总体目
2、标是：结合我国西部地区桥梁结构的具体特点，将调查研究、理论分析与试验方法相结合，开展适合西部地区特点、并有在全国其他地区推广前景的桥梁结构抗震性能评价及抗震加固技术研究，通过本项目依托工程的具体实施，形成桥梁结构抗震性能评价及抗震加固成套技术。该项目是我国到目前为止投入经费最高（590万），参加单位和人员最多和研究时间最长的桥梁抗震技术研究项目。经过5年的刻苦攻关，该项目圆满完成，解决了我国桥梁抗震性能评价及抗震加固技术方面的主要关键技术问题，取得了一系列具有国际先进水平的技术成果，部分研究成果处于国际领先水平。背景我国现行公路工程抗震设计规范(JTJ00489)在80年代中期开始修订，于19
3、89年正式发行。随着我国90年代交通事业迅猛发展，该规范已远远不能适应。但是目前所有国内的桥梁设计，对抗震设计均在设计书上标明的参照规范即是公路工程抗震设计规范和铁道工程抗震设计规范。但这些规范采用的抗震技术已经远远落后于国际先进水平。1971年的美国圣费南多地震，仅是中等强度震级(M65级)，造成了桥梁工程的严重破坏。这次地震成为美国乃至全世界桥梁抗震技术发展的一个转折点。1971年前，美国各公路桥梁设计准则中的抗震设计部分是根据加利福尼亚州关于建筑物横向力的规定而制定的。此次地震后，1973年加利福尼亚州运输部(Cartrans)提出了新的桥梁抗震设计准则；1975年AASHT0根据Car
4、trans73年条文略加修订制定了一个暂定规范，它适用于美国的所有地区。所以，1971年圣费南多地震是美国桥梁抗震设计准则编制的一个重要转折点。同时，美国应用技术委员会(ATC)对桥梁抗震设计若干问题进行深入调查与研究，于1981年提交了美国公路桥梁抗震设计指南报告，并在多年后列入AASHTO编制的公路桥梁设计规范中。随后的1989年和1994年，美国两次受到中等强度地震（Loma Prieta地震和Northridge地震）袭击，导致了桥梁的严重破坏；1995年日本Kobe地震同样是一个中等强度的地震，造成大量高速公路、高速铁路桥隧的破坏，使经济遭受巨大损失。如都以当时的币值为准，以上三次中
5、等强度地震导致城市经济总损失分别为70、200、1500亿美元。发生在抗震技术处于世界先进水平的美国和日本的这几次中等强度地震造成的严重灾害使得世界范围内的抗震研究人员开始反思，同时促进了抗震技术在近20年的深入发展，特别是提出更先进的概念和具体的措施。日本1995年阪神地震后，对结构抗震的基本问题重新进行了大量的研究，并十分重视减振、耗能技术在结构抗震设计中的应用。桥梁、道路方面的抗震设计规范已经重新编写，并于1996年颁布实施；美国也相继在联邦公路局和Caltrans等的资助下开展了一系列的与桥梁抗震设计规范修订有关的研究工作，已经完成了多部系统的抗震技术研究报告和技术指南(ATC18、A
6、TC32和ATC40)。与旧规范相比，新规范或指南无论在设计思想、设计手法、设计程序和构造细节上都有很大的变化和深入。相比之下我国现行公路工程抗震设计规范水准远落后于国外同类规范。若不进行改进，其后果必然是我国不少的桥梁工程将留下地震隐患。我国在唐山地震后，铁路工程抗震规范和公路工程抗震规范都经过专题研究，先后在1989年与1990年正式颁布了新的修改版，城市桥梁抗震设计参照此两本规范执行。但是，编制于改革开放初期的这两本规范并未能充分吸收当时美国等发达国家的研究成果以及震害教训和经验。我国政府部门已经认织到上述问题。建设部、交通部和铁道部分别开展了相关抗震技术规范的编修工作。但是规范编修工作
7、只是将相对成熟的应用技术进行归纳总结和标准化，一般难以对基础性关键问题进行深入研究；同时，新规范实施之前建成的桥梁，其抗震能力如何评价？如果抗震能力不足，则应如何进行抗震加固？这两个问题正是本项目需要重点攻克的基本问题。要解决这两个基本问题就必须全方位把握桥梁抗震技术的各个方面，主要是：1、抗震设计理念。从1970年代及之前的单一强度设计理念发展到国际上逐渐采用的基于性能的抗震设计（Performance-Based Seismic Design）；2、地震动输入参数。从过去单水平设防、一阶段设计发展到现在的多水平设防、多阶段设计，如何确定合理的地震动输入参数是结构抗震的基本问题之一；3、抗震
8、措施。从过去采用直观的、定性的、概念性的抗震措施发展到现在采用分析的、定量的、具体的减、隔震技术、能力保护设计、防落梁措施等；4、抗震性能评估（计算）。从过去采用单指标的、简化的、线性评估方法发展到现在采用多指标、综合的、非线性的评估方法；5、抗震加固。从过去在抗震加固中采用传统的结构加固技术到发展专门的抗震加固技术、从过去对局部的抗震加固发展到结合概念设计的综合加固。因此，本项目必需完成对桥梁抗震技术的全方位研究。为保证研究取得切实的进展，研究水平能与国际一流水平接轨、研究成果能应用于实际工程，课题组重点加强了调研工作。通过大量收集、消化和吸收国内外研究成果，课题组对数十年来国内外桥梁震害的
9、主要规律、特点进行了全面归纳总计；对欧洲、美国、日本等西方发达国家的相关规范、标准、指南进行了系统的学习；对我国地震多发地区桥梁开展了大量的现场调查和分析。在此基础上，课题组制定了理论分析、试验研究、软硬件系统研发等工作，取得了系统的研究成果。主要研究工作内容针对我国公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）颁布后建成的梁式桥，进行抗震性能评价及抗震加固技术的调研、理论分析、试验研究和依托工程实施。项目分五个子课题进行研究，即：1、公路桥梁抗震性能评价与抗震加固技术指南2、公路桥梁抗震性能诊断检测技术与相关模型试验3、公路桥梁抗震计算与抗震性能评价方法4、公路桥梁抗震加固方法与加固材料成套技术
10、研究5、公路桥梁抗震加固的具体实施与后评价各个专题均圆满完成了研究任务，并形成了相应的专题研究报告。在五个研究报告的基础上形成了项目技术总报告。“公路桥梁抗震性能评价与抗震加固技术指南”研究专题对我国地震活动概况、国内外地震工程发展情况、历史破坏性地震中典型的桥梁震害以及桥梁抗震加固技术进行了整理与归纳总结；调研与分析是课题研究、编写指南框架的重要依据，在专题报告中，给出了34座公路桥梁的详细分析过程；指南也在此专题中体现，从6个方面来实现桥梁抗震性能的评价。“公路桥梁抗震性能诊断检测技术与相关模型试验”研究专题通过对桥梁的静动力测试方法、典型墩柱构件的延性检测、梁式桥抗震性能的室内模型实验技
11、术进行研究，结合有限元分析计算，对梁式桥的抗震性能提出了合理的检测评价方法。为公路梁式桥的抗震计算模型和抗震性能检测和评价体系提供完整、准确、可靠的技术参数。课题组完成的主要工作是：针对梁式桥进行实地调查，建立基于有限元分析和Pushover算法的梁式桥的抗震性能鉴定体系；针对梁式桥桥墩进行了墩柱模型抗震性能的试验研究，对影响梁式桥桥墩性能的各个参数进行了试验和理论分析，为桥梁整体抗震性能的评估体系提供了可靠的关于桥墩延性性能的指标；通过对梁式桥整体抗震性能的研究，建立基于梁式桥整体抗震性能的抗震鉴定成套技术；完成了1座3跨大比例简支梁桥的地震台阵试验研究。图1 世界首例三跨简支梁桥大比例全桥
12、模型地震台阵试验示意图“公路桥梁抗震计算与抗震性能评价方法”研究专题结合近年结构抗震的发展趋势，针对大跨度、高墩长周期桥梁的地震动输入、分析和评价方法进行了研究，同时，为了给新的桥梁抗震设计规范提供一些参考，收集了美国、欧洲、日本的相关规范，对研究、设计中所关心的问题进行了对比分析，并在该研究项目中首次提出基于模态分析的Pushover方法。桥梁抗震计算可视化智能系统（BAS）的程序编制报告、用户使用手册及程序测评报告也包含在专题报告三中。图2 自主知识产权的桥梁抗震计算可视化智能系统（BAS）“公路桥梁抗震加固方法与加固材料成套技术研究”研究专题针对我国西部地区公路桥梁提出了推荐采用的防止落
13、梁加固措施的加固材料、设计方法、施工工艺；提出了柱式桥墩抗震加固方法的加固材料、设计方法、施工工艺；形成了公路桥梁抗震加固方法与加固材料成套技术。通过对国内外震害资料进行查询和调研，熟悉了国内外采用的抗震性能评价方法及加固措施等，并对已建桥梁进行抗震性能分析和评价，从而对已建桥梁提出加固设计意见，进行抗震加固，最后对加固后的桥梁进行后评价并提出加固方法等的改进意见。 (a) 试验总装 (b) 破坏后的塑性铰图3 矩形桥墩拟静力试验照片“公路桥梁抗震加固的具体实施与后评价”研究专题完成了对本项目研究成果的应用和检验，该专题深入开展云南新平县石羊江桥、南涧县魏山河桥、南涧河桥等三座西部公路桥梁的抗
14、震性能检测和抗震加固工作，为本项目研究成果的推广应用提供了典型的成功案例。 图4 桥梁抗震加固现场照片主要研究成果课题组从桥梁抗震性能检测、评价、分析方法、抗震设计、抗震加固等方面对“公路桥梁抗震性能评价及抗震加固技术研究”课题开展了系统深入的研究。从西部公路桥梁的调研开始，大量收集、学习国内外关于桥梁抗震性能评价及加固的相关资料，结合对西部已建、新建的数十座公路桥梁的抗震性能评价研究和数十个桥墩的拟静力试验及全桥的振动台阵地震模拟试验，分析研究并归纳总结了检测、分析和评价方法以及抗震设计、抗震加固的主要内容和技术方法。取得的主要研究成果包括：1、编制了公路桥梁抗震性能评价及抗震加固技术指南（
15、1）收集了1966-1999年国内外桥梁震害的资料，研究了震害特点及经验和教训；整理了桥梁抗震分析理论和抗震设计方法的发展历程和各种方法的适用性，并采用其中的方法对60余座简支梁桥、刚构桥、连续梁桥、连续-刚构组合梁桥进行了抗震性能评价；研究了国外成熟的、经济实用的桥梁抗震加固技术，并纳入指南。（2）指南给出了抗震性能评价的流程，提供了分析、评价方法，并针对既有桥梁给出抗震加固时采用的具体可行的方法。将桥梁抗震性能的评价分为一级评价和二级评价。一级评价以宏观控制为主，根据综合评分结果划分等级；二级评价以抗震验算为主，主要是选定适合的计算、评价方法针对构件的抗弯、抗剪、稳定性等的验算，同时融入延性的概念，综合评分后进行等级划分。指南为桥梁结构的抗震性能评价提供了依据，不限于我国西部桥梁，也适合于其它地区桥梁结构的抗震性能评价。2、在公路桥梁抗震性能诊断检测技术与相关模型试验研究方面取得了一系列研究成果。（1）对国内外的桥梁抗震性能评估方法、各国的桥梁抗震规范进行消化吸收和深入的研究，并将这些成果应用于梁式桥的抗震鉴定和评估以及新一版的公路工程抗震设计规范的编制之中；（2）发展针对既有梁式桥的抗震性能评估体系，建立了一套桥梁抗震评估外观检查和性能鉴定的规程，研究如何对现有桥梁进行外观、结构性能以及材料性能进行评估；（3）对桥墩进行延性性能的室内试验，结合理论分析方法发
