摘 要

随着交通事业的科学技术的发展，越来越多的桥梁需要跨越河谷与深沟，在这种复杂的地形条件下，采用高墩往往能式桥梁更加经济合理。我国是一个地震频繁且分布范围广的国家，在这种大环境下，对于桥梁高墩的抗震响应分析就变得迫切和必要。OpenSEES是目前非常有效的有限元软件，它适用于动力问题的分析求解。本文采用有限元思想，将要分析的梁柱结构离散化，采用Kent-Park混凝土本构模型和Giuffré-Menegotto-Pinto钢筋模型建立桥墩有限元分析计算模型。对结构进行时程分析时，通过调整地震幅值加速度值来得出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截面应力应变的变化情况，为空心薄壁箱型桥墩的地震响应分析和桥梁抗震设计概念体系的进一步完善提供参考。主要工作以及得出的相关结论如下：

1）阐述了高墩桥梁的经济适用型和在我国的建设状况，查询相关文献和资料，总结出桥墩地震响应分析的国内外研究现状；

2）学习有限元相关知识，借助有限元软件ETABS建立纤维模型，使用ETO修改模型并生成OpenSEES命令流，修正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）根据抗震设计细则确定分析对象的设计地震加速度，分析桥墩在E1地震（多遇地震）、E2地震（罕遇地震）和破坏地震下的结构响应，破坏地震作用即桥墩截面最外缘混凝土的压应力达到抗压强度设计值所对应的地震作用，这三种地震具有不同大小的强度。选用EL-Centro地震波，通过调整地震波加速度幅值来改变地震波的强度大小，运行计算，得出桥墩地震响应（墩顶位移、墩底反力和弯矩、墩截面应力应变）。

关键词：桥梁高墩；OpenSEES；有限元模型；时程分析

Abstract

With the development of science and technology of the transportation, more and more bridges need to be built over the valley and deep groove. In such complex terrain conditions, using high piers could make the bridge more economic and reasonable. China is a country with frequent earthquake of a wide distribution, then it becomes urgent and necessary to ananlyze the seismic response of the bridge with high piers. OpenSEES is a very effective finite element software, which can be applied to the analysis of dynamic problems. In this thesis, the finite element theory was used to disperse the beam-column structure that has to be analyzed, and the finite element analysis and calculation model of the bridge pier was created with the Kent-Park Concrete constitutive model and the Giuffre-Menegotto-Pinto steer bar model。For the structure dynamic analysis，the changes Under earthquake with different intensity of the displacement at the top pier, the counter force and bending moment at the bottom pier,and the stress and strain at the pier section in the whole time history of earthquake action were recorded by adjusting the earthquake acceleration amplitude values. It will benefit the Seismic response analysis of the concrete-filled thin-walled steel box piers and further improvement of the concept system of seismic design of bridges. the main research work is as follows:

1)This paper describes the economic application of bridge with high pier and the construction in our country. the author inquires the related literature and date, and summarizes the research status of the seismic response analysis of bridge with high piers at home and abroad.

2) The author studys about the konwledge the finite element, creates the fiber model with the finite element software ETABS, and modifies the model to generate the OpenSEES command in ETO. And such information of the command needs to be explained: the definition of node and unit, the constraint, the material model, the section information, the calculation of gravity, the load information, the parameter ananlysis settings, the record of the data, and so on.

3) The autor determines the correct time history process, and analyses the response of the pier in E1 earthquake(frequently occurred earthquake),E2 earthquake(rarely occurred earthquake),and destructive earthquake, which have different sizes of strength. the author adopts EL-Centro seismic wave as the load, and changes the intensity of the seismic wave by adjusting the acceleration amplitude of the Seismic wave. Running calculation and get the seismic response of the pier.( the displacement at the top pier, the counter force and bending moment at the bottom pier, the stress and strain at the pier section)

Keywords : bridge with high piers, OpenSEES, finite element model, time history analysis

目录

第一章 绪论 7

1.1 研究背景 7

1.2 国内外的研究现状 7

1.3 研究内容和技术方案 9

第二章 有限元软件opensees学习 10

2.1 OpenSEES基本介绍 10

2.2 ETABS建模实例学习 11

2.3 ETO程序介绍 16

第三章 建立桥墩有限元模型 21

3.1 定义材料 21

3.1.1 混凝土 21

3.1.2 钢筋 23

3.2 定义节点 24

3.2.1 梁的节点 24

3.2.2 墩柱的节点 24

3.3 定义单元 26

3.3.1 梁单元 26

3.3.2 墩柱单元 29

3.4 截面的定义 31

3.4.1 梁截面 31

3.4.2 墩截面的定义 32

3.5 截面配筋 32

3.6 梁与墩的重力计算 39

3.7 恒载作用下结构的响应 42

第四章 矩形高墩地震响应分析过程 43

4.1 时程分析原理 44

4.2 地震波的选取 44

4.3 E1地震作用和E2地震作用下的结构响应 45

4.4 破坏地震作用下的结构响应 58

第五章 结论与展望 65

5.1 本文主要结论 65

5.2 研究展望 65

参考文献 66

致 谢 67

第一章 绪论

1.1 研究背景

地震是一种常见的自然灾害，其结果往往会造成建筑物的破坏，人员伤亡，还有可能引起水灾、火灾、疫病，有毒物质泄漏等各种次生灾害。我国是一个多地震的国家，具有地震频率高，强度大和分布范围广的特点。我国的地震带大致可以划分为五个地区：台湾省及其附近海域；西部地区，主要包括甘肃、青海、宁夏以及新疆；西南地区，包括四川、云南和西藏；华北地区；东南沿海地区，也即广东、福建等地。

城市是人口高度密集的地方，尤其是中大型城市。世界上多次大型的地震都发生在城市，比如1960年智利南部大地震、1994年洛杉矶大地震、1995年日本神户大地震等。以中国1976年唐山大地震（M7.8）为例，造成约24万人死亡， 16.4万人重伤，经济总损失约超过百亿人民币，为20世纪最严重的地震之一。其中最重要的原因就是唐山市建筑物和结构物都未经过抗震设计，以致在强震下造成严重的后果，这对我们是一个惨痛的教训。在目前的科技水平下，人类无法准确预测地震，科学合理的抗震设计和抗震构造是减轻地震灾害最为有效的措施。因此，我们要在抗震设计工作上付出更多的努力。

在防灾减灾工程研究中，重要的一环便是生命线工程的研究，尤其是交通枢纽工程——桥梁。桥梁的破坏具有修复困难和修复代价高等特点。地震对桥梁结构的破坏，会直接对铁路、公路的工程设施造成破坏，同时更因交通停滞为运输和抗震救灾工作带来不便和困难。我国西部地区多山川峡谷，地形复杂，高墩桥梁在铁路和公路的建设中被广泛使用，近几年来，墩高百米以上的桥梁也越来越多地被建成。这些结构新颖，技术复杂的桥梁的建设为推动这个行业的科研发展提供了很好的机遇，同时也为我们的技术工作人员提出了空前的挑战。

1.2 国内外的研究现状

目前，我国交通基础建设正处于大规模发展状态，由于我国多复杂地形，许多桥梁需要跨过深谷与河沟，由于经济等各方面的限制，一昧地加大桥梁跨度并不是一个好办法。而将桥墩抬高，往往能够变得更加经济合理，一般高墩是指高度超过50米的桥墩。表1.1列出了近年我国已建成或在建的高墩桥梁。