摘 要

随着越来越多的桥梁使用高墩结构，而我国又是一个地震多发的国家。为了安全性和经济性等因素的考虑，针对桥梁高墩结构的抗震响应分析成为目前一个重要研究领域。本文对高墩桥梁以及中低墩桥梁进行有限元建模来模拟地震作用下的桥梁弹塑性分析，通过OpenSEES软件分别进行单元建模、材料定义以及地震波的选取。随后对桥墩进行时程分析，通过调整地震幅值加速度值来模拟不同强度地震作用下整个地震作用时程内桥墩墩顶位移、墩底反力与弯矩和墩身曲率的变化情况，为方箱型桥墩的基于性能的地震响应分析和桥梁抗震设计概念内容进一步丰富和完善。主要工作以及得出的相关结论如下：

1）总结目前国内及外国对于“墩高对桥梁抗震影响”的研究现状，介绍桥梁抗震分析方法的概念及具体内容。

2）学习有限元相关知识内容，借助OpenSEES 建立单墩模型，解读命令流中节点和单元的定义、约束信息、材料模型、截面信息、重力计算、荷载信息、分析参数设置、数据记录设置等信息。

3）分别以30m、94m、116m桥墩来作为低、中、高墩代表。并对三个桥墩有限元建模后进行动态时程分析，选取输出墩顶位移、墩底反力与弯矩和墩身曲率的变化情况来评价桥墩抗震性能。

关键词：高墩桥梁、有限元、地震波、动态时程分析

Abstract

As more and more bridges use high pier structures, and China is an earthquake-prone country. For the sake of safety and economy and other factors, the seismic response analysis of bridge high pier structure has become an important research field at present. In this paper, the finite element modeling of high pier bridge and middle and low piers bridge is carried out to simulate the elasto-plastic analysis of bridge under earthquake action. Unit modeling, material definition and seismic wave selection are carried out by OpenSEES software respectively. Then, the time-course analysis of the pier is carried out. The displacement of the pier and the bending force and the curvature of the pier are simulated by adjusting the amplitude acceleration value of the earthquake. The seismic response analysis of the box piers and the concept of seismic design of the bridge are further enriched and perfected. The main work and the relevant conclusions are as follows .

1) Summarize the current situation of research on the seismic effect of "pier on bridge" at home and abroad, and introduce the concept and concrete content of bridge seismic analysis method.

2) Learn the finite element related knowledge content, use OpenSEES to establish the single pier model, interpret the definition of the node and unit in the command flow, the constraint information, the material model, the cross section information, the gravity calculation, the load information, the analysis parameter setting, the data record setting.

3) to 30m, 94m, 116m pier as a low, medium and high pier on behalf of. And the dynamic time history analysis of the three piers is carried out. The dynamic performance of the pier is evaluated by selecting the displacement of the top of the pier, the reaction force of the bottom of the pier and the bending moment and the curvature of the pier.

Key words: high pier bridge, finite element, seismic wave, dynamic time history analysis

目 录

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摘要 4

Abstract 5

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 基于性能的桥梁抗震设计 1

1.3 本文研究目的及主要内容 2

1.3.1 研究目的 2

1.3.2 研究主要内容 2

第2章 桥梁抗震分析方法及工程背景 4

2.1 桥梁抗震分析方法 4

2.1.1 概述 4

2.1.2 动态时程分析方法 4

2.2 OpenSEES结构弹塑性分析 5

2.2.1 建模模块 5

2.2.2 分析模块 5

2.2.3 输出模块 5

2.3 工程背景 5

第3章 桥梁有限元模型的建立 7

3.1 概述 7

3.2 模型单元的建立 8

3.2.1 梁部分模型节点及单元的建立 8

3.2.2 墩部分模型节点及单元的建立 8

3.2.3 纤维截面的建立 9

3.3 材料的定义 12

3.3.1 混凝土的本构关系 12

3.3.2 钢筋的本构关系 14

3.4 地震波的选取 15

3.4.1 影响地震波选取的因素 15

3.4.2 合理选择地震波 16

第4章 高墩桥梁抗震性能分析 18

4.1 概述 18

4.2 墩顶位移 18

4.3 桥墩截面曲率 21

4.3.1 屈服曲率 21

4.3.2 极限曲率 22

4.4 桥墩抗震响应分析 23

4.4.1 不同墩高下桥墩的墩顶位移的比较 24

4.4.2 不同墩高下桥墩的墩身最大曲率的比较 26

第5章 总结与展望 29

5.1 总结 29

5.2 研究展望 29

参考文献 30

致谢 32

绪论

引言

地震是严重危害人类社会的自然灾害。地震发生突然，不易被提前预测，而且破坏力巨大，甚至会引起海啸、火灾、瘟疫等一系列附加灾害。对人类社会的安全和谐构成了极大的威胁。历史数据统计表明，每年全世界大概会发生500多万次地震作用，虽然大多数地震等级较小或者发生位置偏远对人类社会构不成威胁。但是仍有很多大型地震造成了严重的工程破坏和惨重的生命财产安全。例如2011年4月11日发生的的日本福岛地震。该地震强度高达里氏7.3级并引发海啸，进而引发福岛第一核电站发生严重的核泄露，造成的福岛周边地区大范围核污染危害影响至今，严重危害到东北亚地区人民的生命健康。

然而我国幅员辽阔，东部沿海地带以及西南边疆处于环太平洋地震带以及地中海—喜马拉雅山地震带内，地震灾害频发，近一个世纪以来就在邢台、唐山、汶川发生了震惊世界的大地震就，造成人员死伤数百万，经济损失更是不计其数。单单2008发生的汶川地震，死亡及失踪人数超过8万人，直接经济损失超过1万亿人名币。