震后桥梁性能评价及加固技术研究

1、.西部交通建设科技项目震后桥梁性能评价及加固技术研究报告简本1 主要研究内容及创新点1.1研究的主要内容本项目以震后梁桥调查和检测、性能的分析和评价、设计和加固为主要研究内容，主要对内蒙古赤峰地区的震后桥梁进行调查，提出公路震后桥梁的调查检测方法和工作程序，并针对公路梁式桥在地震荷载作用下的破坏特点，建立一套能够全面地反映震后桥梁性能的评价指标。通过对公路梁式桥在地震荷载作用下破坏机理的研究，以即将修订的桥梁抗震规范为标准，从混凝土结构内部破坏和外部破坏特征两个方面，强度、变形和裂缝等多个角度，系统地对震后桥梁性能进行评价。依据评价结果，考虑各种桥梁加固方法的特点和适用性，确定具有针对性的震后

2、桥梁快速加固方案和长期加固方案。依照上述目的，本项目进行了4个专题的研究工作：专题一：震后桥梁调查、检测方法研究；专题二：震后公路梁式桥破坏形式、损伤机理及损伤诊断方法研究；专题三：震后公路梁式桥性能评价理论及方法的研究；专题四：震后公路梁式桥加固理论及方法研究。1.2创新点 （1）根据震后桥梁特点，建立了震后桥梁调查工作程序和评估标准。（2）通过水平滞回作用对钢筋混凝土柱的受压、受弯和变形性能影响的试验，建立考虑初始损伤影响的混凝土本构关系，提出了损伤墩柱水平、竖向承载力和变形性能的计算方法。（3）通过震后桥梁墩柱损伤对其动力特性影响的试验，测试得到了损伤与动力特性的关系曲线，提出基于频率、

3、阻尼的震后桥梁评价方法。（4）通过芳纶约束钢筋混凝土及高强混凝土柱性能试验和理论研究，提出了芳纶约束钢筋混凝土及高强混凝土柱本构关系的计算方法。精品.（5）通过芳纶frp加固损伤混凝土梁对其动力特性影响的试验研究，得到了不同损伤阶段频率、阻尼的变化，以及不同损伤阶段加固的动力特性，提出了损伤与阻尼的关系公式。（6）采用光纤光栅传感技术测量加固损伤混凝土梁的frp层间应力，测试得到了混凝土梁不同损伤阶段frp层间应力的变化。（7）提出了震后桥梁性能两级评价体系及评价指标。（8）提出了震后桥梁系统加固方法。2 震后桥梁调查、检测方法根据震后桥的破坏特点，提出了震后桥梁应急快速调查和详细检查工作程序

4、、方法及工作内容；制定了“震后桥梁快速调查表”、“震后梁式桥详细检查及破坏状况评估表”。通过震后桥梁应急快速调查，按其破坏情况进行分级，提出了震后桥梁安全状况快速评判标准，并根据震后桥梁破坏等级确定是否采取交通管制措施，指导灾区震后桥梁抢险救援工作。通过震后桥梁详细检查，提出梁式桥各部件破坏状况评判标准及桥梁整体技术状况评定等级。为震后桥梁现况评估及恢复交通提供了可操作的工作方案。震后桥梁调查一般工作程序见图2.1：搜集震区桥梁基本资料调查数据分析整理制定工作方案获取地震信息评估桥梁破坏等级震后桥梁快速调查提供决策依据判定桥梁安全度震后桥梁详细调查精品.图2.1：震后桥梁调查一般流程图（1）获

5、取地震信息：地震发生后几个小时之内，及时了解震源、震中、震级、地震裂度等资料。（2）制定应急调查工作方案：震后3天内，收集桥梁基本资料，划定灾害分布的区域，确定灾害比较严重的地区，选定应急调查路线及调查重点。（3）震后桥梁的快速调查及安全状况判定：震后7天内，积极组织人力、物力按选定的调查路线对震后桥梁进行快速调查。建立了“震后桥梁快速调查表”，记录桥梁震害受损情况。根据调查结果和震后桥梁快速评判标准，对桥梁的安全状况按“可以通行”、“限制通行”、“禁止通行”三种情况作出判定，决定是否采取交通管制措施。（4）震后桥梁的详细检查及破坏状况评估：震后1个月内，针对快速调查中确定的“限制通行”和“禁

6、止通行”的震后桥梁进行详细检查。根据震后桥梁的详细检查结果和“震后桥梁破坏状况评定标准”，对震后桥梁损坏情况及技术状况进行评估，为作出维持原状、维修、加固、拆除的决策提供依据。3 震后损伤桥墩静、动力性能试验研究针对当前公路混凝土桥梁中普遍采用的柱式桥墩的典型情况，按相似关系设计试验模型，通过拟静力试验，评估按现行的部颁规范要求设计的桥墩在反复荷载作用下的损伤性能，为震后桥墩的评估、加固奠定基础。（1）长宽比较大的柱（l/b4），在循环过程中，如发生高塑性应变的循环，应计入高塑性应变循环对极限变形的影响；在较低塑性应变的循环下，可以不计循环的影响，直接按变形计算即可。而长宽比较小的柱（2l/b

7、4）在超过屈服变形后，必须考虑低周循环的损伤累积影响。提出了低周循环对极限变形影响的计算公式，参数可通过试验确定。（2）在同等滞回变形条件下，适当的轴压，对钢筋混凝土柱的水平和竖向承载力都有利；长宽比越小的钢筋混凝土柱，水平和竖向承载力下降越快；配筋率增大对水平承载力有利，但对竖向承载力影响则相反。（3）阻尼比与损伤指标d有很强的统计关系，统计公式精品.=1.33+0.07736d2 4 震后桥梁损伤分析、识别方法研究4.1 混凝土损伤分析模型 基于混凝土细观损伤机理，在分析初始裂纹损伤对混凝土强度和模量影响的基础上，建立了考虑初始裂纹损伤的混凝土损伤模型。 （4.1）式中的系数c和可由单轴拉

8、、压全过程曲线的峰值点处的边界条件，则边界条件由下式确定：， ， 所以： （4.2） （4.3）考虑裂纹损伤对边界条件的影响，研究了裂纹扩展长度随应力的演化规律和裂纹角度对混凝土强度、模量等参数的影响。混凝土随着裂纹的发展，表现出明显的各向异性。模量参数在裂纹起裂前不变化，而在应力达到起裂强度时，往往有一突变，然后随应力增大，模量参数、快速减小，增大。裂纹角度越大，起裂强度越小。最后的混凝土峰值强度越小。如含有45裂纹的混凝土峰值强度为21.9mpa，明显小于含有30裂纹的混凝土峰值强度26.6mpa。而且裂纹角度越大，泊松比的变化也快从加载开始至峰值强度，含30裂纹的混凝土的泊松比从0.3变

9、化至0.373，而含45裂纹的混凝土的泊松比从0.3变化至0.487。在有约束应力作用下，模量参数在裂纹起裂后变化趋势明显变缓，约束应力越大，模量参数、减小和增大越少。精品.4.2震后混凝土桥墩损伤分析方法在混凝土损伤分析的基础上，分析了损伤混凝土桥墩弯矩-曲率关系、荷载-位移曲线和低周循环造成的极限位移的减小影响，提出震后具有初始裂纹损伤的混凝土桥墩损伤分析方法。对实际桥墩考虑初始损伤与不考虑初始损伤影响的计算承载力、变形性能进行了比较分析，损伤对混凝土桥墩的性能降低影响十分明显。4.3震后结构损伤程度识别方法（1）采用模态应变能方法对结构进行了损伤识别、定位，并引入了损伤程度因子，基于结构

10、的模态应变能量与单元模态应变能量的关系提出了求解损伤程度的解析解方法，该方法精度高。（2）将此方法应用于数值算例表明，只需低阶模态即可精确的求解固端梁和多跨连续梁结构的损伤程度因子，并能够智能修正因为损伤定位而造成的误判。（3）研究了测量噪声对该方法的影响，结果表明该方法具有很强的鲁棒性，为在实际工程中得以应用提供了理论依据。5 震后梁式桥评价体系和指标对地震发生后不同阶段的需要，建立了系统的震后梁桥两级评价（快速评价、常规评价）体系、工作流程及方法；基于现行规范和震后桥梁破坏特征分析的基础上建立震后桥梁评价指标；提出建立基于层次分析法的震后公路梁桥性能评价方法；为决策震后桥梁恢复方案提供依据

11、。5.1震后桥梁性能评价的等级标准震后桥梁性能评价分为两级。一级评价（初步评价）应以宏观控制和抗震构造要求为主进行综合评价；二级评价应在一级评价的基础上以抗震验算为主，结合抗震构造要求进行综合评价。震后桥梁性能一级评价包括两个层次：震后应急快速评价和震后安全性评价，建立了相应的破坏形式和评价等级标准。5.2 桥梁抗震性能一级评价方法及评价指标震后桥梁结构进行一级评价的应急调查和评价时，采用目测法，在震后13天内进行分类，各项目初步快速评价的结果分三级：精品.可以通行、限制通行、禁止通行。震后桥梁结构进行一级评价的震后安全性评价时，在震后7天内，对应急评价为限制通行、禁止通行的桥梁进行分类，判定

12、其承载能力，评价结果分六级：完好，基本完好，轻微破坏，中等破坏，严重破坏，毁坏六个等级。初步应急快速评价结果除“可以通行”外，其他级别的震后桥梁要进行震后抗震安全初步评估，以判定其抵抗余震的能力，可分为“落梁破坏”、“强度及韧性用尽的破坏”以及“不稳定破坏”三类。5.3 震后桥梁性能二级评价方法及评价指标5.3.1震后桥梁二级评价项目及评价等级对于需要进行二级评价的桥梁结构，应按以下规定的项目进行评价：（1）场地液化评价；（2）地基、基础震后性能评价；（3）桥台震后性能评价；（4）桥墩震后性能评价；（5）梁部震后性能评价；（6）支座、伸缩缝震后性能评价。各项目评价的结果分四级：甲级（不低于现行

13、规范要求）、乙级（略低于现行规范要求）、丙级（不符合现行规范要求）、丁级（严重不符合现行规范要求）。5.3.2基于push-over法的震后桥梁抗震安全性评价根据实际地震的地震动参数，采用反应谱法或时程分析方法进行结构分析，判定结构的损伤部位和程度，作为结构的初始损伤，然后采用损伤分析方法，逐渐增大荷载，进行剩余水平承载能力、变形能力的分析。直到达到结构目标位移，对结构性能进行评判。此方法的分析过程类似于push-over法，即是以损伤本构模型为基础的静力推覆方法，适用于以变形为主的震后结构抗震评价。评价指标采用普瑞斯特雷提出的指标体系。5.3.2基于损伤的震后桥梁抗震安全性评价（1）以动力测

14、试为基础的震后桥梁损伤评价以震后结构损伤性能的检测为基础，根据地震前（无损伤）、后桥梁刚度（或基频）、阻尼比的变化判定震后结构的损伤；精品. （5.1）式中，、分别为地震前（无损伤）、后的结构刚度。 （5.2）（2）震后桥梁损伤评价的能量法基于裂纹的损伤方法进行分析，分别得到无损结构和损伤结构的弯矩-曲率曲线，在明确目标位移的前提下（一般以无损结构承载力下降20%所对应的位移），分别计算无损结构和损伤结构的荷载-位移曲线所包围的面积，即抗倾覆能量。为无损伤结构抗倾覆能量，为损伤结构抗倾覆能量，则震后结构的损伤可用下式表示 （5.3）该公式综合了强度退化、刚度退化和剪切、滑移变形，及低周循环的影

15、响。6 frp加固震损后钢筋混凝土梁、柱的试验研究通过frp加固震损后钢筋混凝土柱和梁的试验，对加固后梁、柱的弯曲承载力、斜截面力学性能、刚度等静力性能和低周反复荷载作用下的疲劳性能及动力性能进行了系统研究，结合塑性理论研究及数值模拟，建立了frp加固钢筋混凝土墩柱和梁的设计方法。afrp： （6.1）cfrp： （6.2）gfrp： （6.3）在试验中，测得了frp加固钢筋混凝土梁的层间应力，解决了多层frp加固时的工作协调问题。7 震后桥梁系统加固方法研究在总结和归纳常用桥梁加固方法的基础上，对各加固方法的适用性进行了比较分析，并针对震后桥梁的损伤特点，应用新材料、新工艺提出适用于震后桥梁

16、的快速、常规系统加固理论、思路及方法。对震后桥梁的加固由个别构件的分析扩展到对整体结构及其耦联系统的综合分析与控制，以求达到局部构件与整体结构同时满足设计要求的平衡精品.。在此基础上，根据“评价加固再评价”的方法，对加固震后钢筋混凝土梁桥进行了较为完整的分析和设计。这就是一个从整体分析到局部分析，最终再回到整体分析的过程。该方法在大伍龙桥加固中进行了实践，并完成了依托工程老虎山大桥和十里铺桥的加固工作。8依托工程8.1老虎山桥加固依托工程老虎山大桥修建于1971年，设计荷载为汽13、拖60级。上部为8孔22米钢筋砼t梁，下部为重力式石砌墩台。震后病害表现为：主梁腹板出现大量竖向裂缝，残余变形较

17、大；横隔板连接部位有不同程度破坏，行车道系、伸缩缝及人行道、栏杆损坏严重，桥头沉陷，桥面渗水，该桥已成为危桥。加固方案为：对主梁腹板裂缝采用封缝处理，采用芳纶纤维材料对主梁进行包裹加固；改造桥面铺装、伸缩缝；更换支座；增设桥面连续、泄水管；横隔梁钢板连接开裂处焊接加固；墩台防震挡块做加高处理；为进行观察对比，本桥第2孔1/4l和3/4l处增加钢制横向联系。8.2十里铺桥加固工程十里铺桥该桥建于1986年，设计荷载为汽15，挂80，上部为2孔16米钢筋混凝土空心板，下部为石砌重力式墩台。受地震的破坏，桥台侧墙与前墙连接部位出现严重纵向裂缝，侧墙明显外张，严重威胁引道路基的稳定性，存在极大的安全隐

18、患。加固方案为：采取加宽墩台的措施，加大桥台侧墙结构断面，增加桥台整体性，改善其受力条件，阻止其外倾。墩台加宽连接部位采用植筋法设置连接锚栓，以保证新旧结构的连接强度及整体性。为不中断交通，上部施工考虑拆除原桥人行道，两侧各增加两块宽度为1.0m的空心板，新作防撞护栏、伸缩缝及桥面铺装。 精品. 图8.1：老虎山桥芳纶纤维布加固主梁 图8.2：十里铺桥桥台加固9研究成果表现形式9.1完成的研究报告（1）震后桥梁性能评价及加固技术研究总报告 （2）震后桥梁调查、检测方法指南（3）震后梁式桥性能评价方法指南（4）震后梁式桥加固方法及工艺指南 （5）专题1：震后桥梁调查、检测方法研究专题报告 （6）

19、专题2：震后公路梁式桥破坏形式、损伤机理及损伤诊断方法专题报告2.1震后公路梁式桥破坏形式及损伤机理研究报告 2.2震后公路梁式桥损伤诊断及分析方法研究报告 （7）专题3：震后公路梁式桥性能评价理论及方法专题报告 3.1震后梁式桥性能评价方法研究报告3.2震后梁式桥性能评价指标体系研究报告（8）专题4：震后公路梁式桥加固理论及方法专题报告 4.1震后梁式桥加固方法及工艺适用性研究报告 4.2震后梁式桥系统加固理论及设计方法研究报告4.3梁式桥系统加固方法研究报告（9）实体依托工程总结报告（10）震后桥梁加固依托工程性能检测报告（11）芳纶纤维加固混凝土结构试验报告（12）实体工程效益分析报告精品.9.2其他成果（1）实施了两项依托工程（2）国内外学术期刊发表论文6篇（3）出版专著1部（4）培养博士生3名；硕