桥梁抗震性能评价与衡量及抗震加固技术

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）
交通科研
交通部公路科学研究院
省公路科学技术研究所
2006年11月
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，项目承担单位为交通科研，交通部公路科学研究院、公路科学研究所，项目参加单位包括清华大学、理工大学等多家科研院所和高等院校。

该项目总体目标是：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》(JTJ004—89)在80年代中期开始修订，于1989年正式发行。

随着我国90年代交通事业迅猛发展，该规已远远不能适应。

但是目前所有国的桥梁设计，对抗震设计均在设计书上标明的参照规即是《公路工程抗震设计规》和《铁道工程抗震设计规》。

但这些规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(M6．5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Cartrans73年条文略加修订制定了一个暂定规，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围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、ATC32和ATC40)。

与旧规相比，新规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》水准远落后于国外同类规。

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。

我国在地震后，《铁路工程抗震规》和《公路工程抗震规》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执行。

但是，编制于改革开放初期的这两本规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的编修工作。

但是规编修工作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、消化和吸收国外研究成果，课题组对数十年来国外桥梁震害的主要规律、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、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。

主要研究工作容
针对我国《公路工程抗震设计规》（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模型实验技术进行研究，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提供一些参考，收集了美国、欧洲、日本的相关规，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。

通过对国外震害资料进行查询和调研，熟悉了国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，该专题深入开展新平县石羊江桥、南涧县山河桥、南涧河桥等三座西部公路桥梁的抗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》
（1）收集了1966-1999年国外桥梁震害的资料，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）对国外的桥梁抗震性能评估方法、各国的桥梁抗震规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试验，结合理论分析方法发展了针对这些桥墩延性性能评价方法，并结合试
验结果提出了改进方法。

（4）通过对符合89规的27个桥墩模型抗震性能的计算和试验分析，得到如下结论：①理论计算和试验结
果基本吻合，表明纤维单元模型理论适用于我国西
部地区矩形桥墩的抗震性能分析，同时也表明项目
组完成的模型试验方案合理，制作精良，试验数据
准确可靠；②在试验考察的设计围，我国西部地区
矩形桥墩1/5相似模型具有良好的延性；③尽管我
国西部地区矩形桥墩1/5相似模型具有良好的曲
率延性和位移延性，但由于纵筋率总体上偏低，因
此可能造成震后维修围广、工作量大、费用高、工
期长，在地震作用较大时，桥墩将产生过大位移，
其残余变形将超出允许的围，造成大震后桥梁需大
面积拆除重建，造成严重的经济损失和负面的国和
国际影响；④本研究项目的理论分析和试验结果均
表明即使桥墩的延性性能较好，桥梁仍然会发生较
大的地震破坏。

因此，在桥梁抗震设计和桥梁抗震
性能评价中，既要重视桥墩延性的设计和检算，也
要重视桥墩的抗弯和抗剪强度；⑤本研究项目的试
验表明当纵筋率和轴压比较低时，即使箍筋率较低
（试验中最低试验方向配箍率为0.74%）的桥墩模
型也表现出良好的延性（试验中为3）。

因此，通
过提高箍筋率来提高桥墩的延性不一定是可行的；
⑥桥墩的抗震延性受到轴压比、箍筋率、纵筋率、
墩高、截面形式等因素的影响，在考察桥墩的抗震
性能时，应该对这些因素进行综合考虑并严格按照
相关的理论进行计算分析，才能准确把握桥墩的抗
震性能。

（5）课题组根据调研资料和我国公路桥梁的实际情况，并结合课题组从事桥梁工程设计、检测和试验研究
的经验，确定了桥梁抗震性能诊断检测容，研究形
成了一套实用方法。

具体包括：①将桥梁抗震性能
检测工作容分为检查和测试二个部分，并制定了桥
梁抗震性能诊断检测流程图；②制定了桥梁抗震性
能现场检查数据统计表，依照该表可完成对桥梁抗
震性能的检查工作，并确定其抗震性能评估等级；
③总结了针对抗震性能检测的桥梁动力特性测试
试验方法和桥梁构件及材料力学性能检测方法。

（6）课题组根据制定的桥梁抗震性能诊断检测流程，对石羊江桥进行了实桥调查及检查，并完成了该桥的
抗震性能检测及试验。

根据检测诊断结果，课题组
总结了石羊江桥抗震性能存在的主要问题。

3、研发了桥梁抗震计算可视化智能系统（BAS）
该系统实现了：与AutoCAD软件无缝接合；快速简洁实用的桥梁模板建模方式；功能强大的网格划分器；功能强大的截面特性计算模块；人性化的人机交互方式；强大的模型数据检查功能；完备的荷载输入形式；核心分析模块采用面向对象的编程方式；强大的计算功能；强大的后处理功能；强大的数据管理功能。

4、在公路桥梁抗震加固方法与加固材料成套技术研究方面取得了一系列研究成果。

课题组在充分调研的基础上，总结了国外规、指南和科研项目对桥梁抗震加固工作，对国外桥梁加固的现状和发展情况做了概括，既方便了后续工作，也可供参考。

针对西部山区存在的桥梁特点，对规则梁式桥的抗震加固措施进行了详细探讨，并进行了三种不同加固方法的墩柱
试验，根据试验结果分析和文献调研结果，给出了防落梁和柱式桥墩的加固方法、加固材料和施工工艺。

本次桥梁墩柱试验研究是目前国同类试验中规模最大、最为系统的一次试验研究，对主筋增强、箍筋增强、碳纤维材料和玻璃纤维材料加固等多种加固方法的原理、材料选择、设计和施工工艺进行了试验研究，取得了一系列研究成果。

5、完成了依托工程抗震性能检测、加固和加固后评价工作。

完成了对省石羊江桥、山河桥和南涧河桥的抗震加固工作。

研究成果的创新性
项目取得了八项重要研究成果，获得了一项软件著作权，并在数十座桥上进行了检测应用，主要创新点如下：（1）对公路桥梁抗震设防目标和设防标准开展了系统研究，提出了抗震设计、评价的设防目标和设防
标准，并在《公路桥梁抗震设计规》和指南编制
中得到应用。

（2）提出了两级评价体系，采用取消综合影响系数的新的分析、评价和设计体系，大幅提升了抗震设
计、评价的整体水平，实现了和国际先进水平的
接轨。

（3）提出了基于模态分析的push-over分析方法。

（4）开展了世界上首例三跨简支梁桥大比例全桥模型地震台阵试验研究，观察了各种破坏模式和现象，
发现了存在的主要问题，积累了大量第一手试验
资料。

（5）国首次完成了公路桥梁进行系统的评价和加固工作实例，首次将半整体式桥台应用于桥梁抗震加
固中。

（6）首次编制了我国《公路桥梁抗震性能评价与抗震加固技术指南》；
（7）首次对桥墩抗震的纤维增强复合材料加固技术得出负面的试验结果和结论。

（8）首次指出公路桥墩延性能力和抗震性能的非一致性，当主筋过低时，公路桥墩通常具有较高的延
性能力，但结构延性需求也高，因此也可能不能
有效地抵御地震。

（9）首次指出了公路桥墩（延性构件）曲率延性和转角延性的非一致性，提高了对结构延性的认识水
平，对结构延性设计、试验和理论发展均具有重
要的指导意义。

小结
总之，课题组全面完成了合同和研究大纲规定的全部任务，研究工作量巨大，获得了多项具有重大工程应用价值的应用基础性成果。

部分研究成果已经体现于正在报批的《公路桥梁抗震设计规》中。

这些成果对于提高桥梁抗震评价、加固、设计和试验的技术水平具有重要的理论意义和工程应用价值，开发的软硬件系统和编制的指南具有广阔的推广应用价值。