摘 要

从十九世纪末、二十世纪初开始，随着社会发展步伐的加快，导致交通行业必须快速发展来满足社会进步的需求，而当中钢筋混凝土桥梁就是交通发展中最为关键的部分之一。经过一个多世纪以来的发展，人们逐步意识到桥梁抗震的重要性。要想完善交通行业，提高交通道路质量，那么桥梁抗震性能的提高和完善就是必不可少的部分。经过长时间的经验积累以及研究，人们发现钢筋锈蚀对桥梁高墩有着极大的影响，因此钢筋锈蚀有着非常大的研究价值。

桥墩的耐久性和抗震性能对整个桥梁安全运行具有重要意义。本文主要通过有限元分析的方法，利用软件OpenSees建立桥墩的结构计算模型，对模型加质量、自重以及荷载等，分析其变形是否满足规范要求，进一步了解考虑钢筋锈蚀的钢筋混凝土高墩的有限元模拟方法。最后，对高墩抗震性能有待研究的进一步问题和发展趋势及其价值进行总结和展望。

关键词：钢筋混凝土桥梁；高墩抗震；钢筋锈蚀；有限元分析

Abstract

From the end of the 19th century to the beginning of the 20th century, with the acceleration of social development, the transportation industry has to develop rapidly to meet the needs of social progress, and reinforced concrete bridges are among the most critical parts of transportation development. After more than a century of development, people gradually realized the importance of bridges for earthquake resistance. To improve the transportation industry and improve the quality of traffic roads, the improvement and improvement of the seismic performance of bridges is an essential part. After a long period of experience and research, it has been found that steel corrosion has a great influence on the high piers of bridges. Therefore, corrosion of steel bars has a very large research value.

The durability and seismic performance of bridge piers are of great significance for the safe operation of the entire bridge. This paper mainly uses the method of finite element analysis to use the software OpenSees to establish the structural calculation model of bridge piers, add the quality, weight and load to the model, analyze whether the deformation meets the requirements of the specification, and further understand the finite element of the reinforced concrete high piers considering the corrosion of steel bars. Simulation method. Finally, the further problems, trends and values of high pier anti-seismic performance to be studied are summarized and forecasted.

Key Words: Reinforced concrete bridge; Seismic resistance of high piers; Corrosion of steel bars;Finite element analysis

目录

摘 要 I

第一章 绪论 1

1.1桥梁抗震研究现状 1

1.1.1国内高墩桥梁抗震研究现状 2

1.1.2国外高墩桥梁抗震研究现状 3

1.2本文研究内容 4

第二章 桥梁的抗震性能及其分析 5

2.1桥梁的抗震性能 5

2.2桥墩抗震性能分析方法 5

第三章 桥梁高墩模型的建立 7

3.1建模软件OpenSees的简介 7

3.2桥梁高墩的模型建立 8

3.2.1桥墩及墩顶上部结构的节点和单元建立 8

3.2.2 桥墩及墩顶上部结构的截面的模型建立 9

3.3钢筋参数的确定 12

3.4本章小结 13

第四章 时程分析 14

4.1时程分析方法的简介 14

4.2 地震波的选取 14

4.3 地震响应分析 16

4.4 地震作用下的结构时程分析 16

4.4.1 E1地震作用下结构动态时程分析 16

4.4.2 E2地震作用下的结构动态时程分析 29

4.5 结论与分析 32

第五章总结与展望 34

5.1本文研究总结概述 34

5.2展望 34

第一章 绪论

从十九世纪后半叶开始，混凝土中配置钢筋组合成钢筋混凝土的建筑材料开始出现，随后钢筋混凝土也开始作为主要的桥梁建筑材料，并且发展十分迅速。1894年，冯埃姆伯格在国际工程大会上发表了关于混凝土铁桥的论文，冯埃姆伯格展示了欧洲钢筋混凝土拱桥的例子，并赞扬了德国水泥的特性。他描述的测试显示了加固系统的优越性能，该系统在1893年在美国获得了专利。1894年后期，冯埃姆伯格在美国爱荷华州建立了第一个拱门，尽管在1894年之前美国建造了一些钢筋混凝土拱桥，但埃姆伯格在促进梅兰体系作为桥梁公司产品的“永久性”，在具有成本效益的替代方案方面所作的努力促成了有关技术的持续，使得钢筋混凝土拱桥快速发展，从此钢筋混凝土系统得到了普遍的采用。该时期的工程文献包含了对复合动力性能，各种拱形形式结构的优缺点，拱轴合理形状以及合适的设计方法的启示性意见，同时遵循增强系统的演变，并给出钢筋混凝土拱桥的开创性例子。从最开始的对钢筋混凝土结构的物理力学性能的不了解到越来越完善的经验及理论体系，到 20世纪初前后，终于有了针对桥梁体系结构较为符合力学原理、钢筋配筋率相对合理的理论。

于是，桥梁建筑中开始将钢筋混凝土作为合格的材料普遍使用。随着我国交通行业的迅速发展，尤其是高等级公路的兴建，越来越多的高墩桥梁结构被用于交通道路中，首先是山区，地形复杂，地理环境恶劣，而高墩桥梁有着山区交通巨人的作用，可以很好的连接各种山崖溪谷和复杂地貌，几乎可以说是千米一高桥。再就是跨海大桥，我国经济实力的不断提高和我国沿海地区经济快速发展的需要，跨海大桥作为经济发展基础设施，从而导致高墩桥梁的不可替代的作用，而跨海大桥有着跨度大，水动力状况复杂，施工难度大，技术要求高以及投资总量大等特点，因此，筑建一座各方面性能都达到要求的高墩桥梁显得特别重要。其中一项极其重要的要素就是抗震性能。

1.1桥梁抗震研究现状

地震灾害会严重威胁人民生命财产安全, 同时也是制约经济建设和社会发展的一个重要因素。地震大致可以造成三个方面的灾害, 一是造成人员伤亡和财产损失, 二是对桥梁和其他建筑物的破坏, 三是对人类赖以生存的环境造成的破坏, 即地震地质灾害目前来说国内外都缺乏高桥墩经受高烈度地震的经验，故而想要震害后修复是十分困难的。

因此，在最近几年，针对高墩桥梁对抗震性能的需求以及迫切性，国内外许多专家学者对高墩桥梁的抗震性能及钢筋锈蚀的影响做了很多深入的研究。

经国内外专家研究发现，桥梁结构的震害可以归结为支座破坏，上部结构坠毁，桥梁墩柱破坏等。而在现当代的桥梁地震破坏中，因钢筋混凝土桥墩结构性能遭破坏而导致桥梁整体性能下降甚至导致桥梁倒塌已经成为桥梁震害的主要特征。在此基础上，全世界许多国家和地区总结了桥梁震害的经验教训，如欧美，新西兰，日本等国家，得出了一个非常重要的结论是：如果仅考虑钢筋混凝土桥墩的强度是不够的，还应当重视混凝土桥墩的延性设计，这样才能更好地提升桥梁整体的延性和变形能力。

1.1.1国内高墩桥梁抗震研究现状

我国的桥梁发展历史非常的悠久，古人掌握的智慧结晶在全世界都是非常宝贵的，是他们为我们积累了无价的财富，让今天的华夏子民乃至世界人民有了极高价值的参考材料，其中最具有代表性之一的当属河北赵县的赵州桥，屹立至今已有一千四百多年的历史，是现存最早的古代石拱桥。但是近现代桥梁发展时间并没有那么长，不过经过近几十年来的发展，我国在现代桥梁建设这一块取得了非常大的成就。桥梁高墩具有显著的力学性能特点：高墩墩柱的长细比和轴压比通常较大，墩柱大多为空腹结构，构造复杂。对于中、低墩桥梁来说，高墩自身的重量会远小于桥梁上部构造的自重，因此在地震分析过程中可将桥梁结构等效为单自由度体系进行计算；而对于高墩桥梁，桥梁墩身自重不会与上部就够相差太多，甚至上部就够的自重远小于桥墩的自重。

现阶段，我国正处于高速发展时期，为了迎合经济发展需求，交通基础设施也正处于较大规模的建设阶段。而据统计，我国西部地区已经建成或正在建设中的公路、铁路等桥梁中，墩高达到40米以上的高墩桥梁就超过了桥梁总数的百分之四十。而表一中列出了近年来我国部分高墩桥梁。

表一 国内部分百米高墩大跨度桥梁

在铁路桥梁领域，结合高速和重载的特点，对不同类型的钢筋混凝土桥梁建立模型进行了试验和数值分析，其中重点考察的是铁路桥梁的延性抗震性能。遗憾的是，目前我国的铁路工程抗震设计规范也仅仅适用于跨度小于150 m的钢梁及跨度小于120 m的预应力铁路混凝土和钢筋混凝土等梁式桥。而且公路桥设计细则^[1]只能满足主跨不超过150m、墩高不超过40m的桥梁。虽没有明确指出墩高的适用范围，但对于特殊桥墩，要求采用非线性时程方法进行下部结构分析。

相比铁路钢筋混凝土桥墩而言，公路钢筋混凝土桥墩的抗震性能、破坏机制和抗震设计方法均已取得了丰硕的研究成果：西南交通大学刘振宇^[2]等在曲线梁桥抗震和深水基础桥梁抗震领域开展了深人研究；大连理工大学艾庆华^[3]等开展了多维抗震理论及墩柱的延性抗震研究；重庆交通大学徐国锋^[4]等针对公路桥墩及桥梁的抗震设计理论展开工作，该大学的李正英^[5]等也对高墩混凝土抗震性能评价指标作了统计研究；基于混凝土结构的重要性，杨萌^[6]等对混凝土本构关系的研究现状作了分析；天津大学王成博^[8]等开展了高墩大跨桥梁的抗震理论研究；广州大学蒋丽飞研究了桥梁延性抗震理论^[9]；中南林业科技大学吴奕琴^[10]研究了桥梁抗震评估方法。杨荣生^[11]等对高墩桥梁抗震研究现状进行了大概的分析统计和总结。对于格式构造型钢管混凝土柱的研究，目前主要注力其静力性能方面的研究；钢管混凝土组合高墩的抗震研究还有待于加强。此外，国内关于钢箱墩柱的抗震研究和应用还比较少见。这些关于桥梁的快速发展，让全国交通不断四通八达起来，让我国的交通体系不断地趋于完善和高服务质量的水平。我们应该在此基础上，继承下来，继续在桥梁抗震这一块做出更多的研究，使得相关的知识理论体系更加完备。

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