本文是一篇建筑工程管理论文，本文在总结部分填充混凝土内置传统一字肋钢桥墩和内置T肋箱形纯钢桥墩的抗震性能研究成果基础上，利用ABAQUS软件建立三维弹塑性有限元模型，对部分填充混凝土内置T肋箱形钢桥墩在承受恒定竖向荷载和水平往复荷载作用下的延性性能进行参数化分析研究。
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
地球的外部被称为地壳，它由若干个大大小小的板块组成。这些板块在地球内部相对运动，它们可以相互靠近、远离或者相互摩擦。当地壳板块相互摩擦时，两个板块之间的接触面会积累应力能量。当这种应力超过岩石的强度限制时，岩石会发生断裂，释放能量，形成地震。地震是地球上较为严重的自然灾害之一，其最显著的破坏方式是在地表产生剧烈的晃动，对生命财产造成损失。当地壳发生断裂与运动时，地震波会以纵波和横波两种形式传播到地表，其中横波对地表及其上的建筑物造成强烈的破坏，是地震灾害的主要原因之一[1]。地震灾害对人类社会造成的破坏不仅体现在房屋倒塌、道路损毁等直接损失上，还包括对交通、通信、供水、电力等基础设施的影响，给救援工作和灾后重建带来巨大挑战。因此，我们需要更加科学可靠地设计抗震建筑，以保护人民的生命财产安全[2]。
据统计，地球上每年会发生数百万次的大小地震，近些年世界范围内大地震频发。1995年1月17日发生的日本兵库县南部阪神大地震，地震级别为里氏7.3级，导致超过6400人死亡，约4万人受伤，还有大量建筑物、桥梁和道路被摧毁。阪神大地震是日本历史上最严重的地震之一，也是全球造成巨大破坏的地震事件之一[3]。2004年12月26日发生的印度尼西亚苏门答腊岛印度洋地震，地震级别为里氏9.1级地震，地震引发了一系列巨大海啸，其中一些海啸波及了印度尼西亚、斯里兰卡、印度、泰国、马尔代夫和其他沿印度洋海岸线的国家。根据各方估计，总的死亡人数大约在23万至28万之间[4]。2011年3月11日，在日本东北地区发生的东日本大地震，地震级别为里氏9.0级地震。该地震导致的巨大海啸袭击了日本东北沿海地区，包括福岛、宫城和岩手等地，造成了至少1.5万人死亡，超过2.6万人失踪。此外，该地震使福岛核电站遭受了重大损坏，造成核泄漏事故，成为世界上第二次核能事故级别最高的事件[5]。我国也是地震频发的国家，每年都会发生多次地震。由于我国地处环太平洋地震带和喜马拉雅山造山带两大地震活跃区域之间，因此地震灾害在我国历史上一直是常见的自然灾害之一。2008年5月12日发生的汶川大地震，地震级别为里氏8.0级地震，并在随后的一个月里余震频繁。据中国地震局统计，共发生了超过45000次余震，其中有11次余震的震级超过了6.0级，造成了近8万人死亡，约37万人受伤[6]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 部分填充混凝土钢桥墩抗震性能
国内外众多学者对部分填充混凝土钢桥墩及其他钢管混凝土结构的研究由来已久，也早已有了十分充足且可靠的试验数据和理论模型。其中，日本地震频发，对结构抗震性能研究一直十分重视，已取得了丰硕的研究成果。
Usami和Ge[16-17]采用在钢桥墩内填充混凝土的补强方法，通过低周往复试验对该补强方法进行了研究。研究结果表明，内填混凝土钢桥墩的补强方法可以显著提高钢桥墩的强度、延性性能和耗能能力。在此基础上，Kasai[18-19]等人提出了混凝土最佳填充高度的概念。该高度是指部分填充混凝土钢桥墩在水平往复荷载作用下，内填混凝土上方中空钢管发生局部屈曲的同时，桥墩根部附近混凝土也刚好达到极限压应变，此时的混凝土填充高度。
Usami、 Ge和Gao[20-22]研究了带肋箱形钢桥墩在竖向恒定荷载和水平往复荷载作用下，考虑局部失稳和整体失稳相互作用的滞回性能，还详细讨论了从局部屈曲到结构破坏的变形过程。基于参数化分析研究，讨论了翼缘正则化宽厚比、试件正则化长细比、加劲肋正则化长细比、柱顶轴压比以及加劲肋的钢材型号等对钢桥墩极限承载力性能和延性的影响。
Al-Kaseasbeh和Mamaghani[23]提出在钢桥墩墩身的不同高度处采用不同厚度钢板的方法进行分级，将易发生局部屈曲的底部设置为厚壁钢板，将不易发生屈曲的顶部设置为薄壁钢板。基于Pushover分析，发现在相同用钢量的情况下，厚度分级的桥墩与尺寸和体积相当的传统桥墩相比，在强度、延性和屈曲行为方面有显著改善。在此基础上，对关键参数的影响进行了综合研究，包括宽厚比、柱长细比、轴压比和加载循环次数。最后提出了预测其强度和延性比的经验公式。
第2章 部分填充混凝土箱形钢桥墩三维有限元建模方法
2.2有限元建模
2.2.1 有限元分析软件ABAQUS的介绍
ABAQUS是一种广泛使用的商业有限元分析软件，用于求解结构力学、热传导、流体力学等物理问题。它由达索系统公司（Dassault-Systèmes）开发和销售[49]。
ABAQUS提供了强大的建模和分析功能，可用于模拟和分析各种工程应用领域中的结构和材料行为。它支持各种线性和非线性分析，包括静态和动态分析、线性和非线性材料模型、接触分析、热传导分析、流体-结构耦合分析等。
ABAQUS采用有限元方法进行建模和求解，将复杂的实际工程问题离散化为小的有限元单元，并通过求解节点间的力平衡方程来计算结构的响应。它具有高度可扩展性和灵活性，可以处理各种复杂的几何形状、材料行为和加载条件。
ABAQUS提供了友好的用户GUI操作界面，使用户能够轻松定义模型、施加边界条件、设置求解参数以及可视化结果。它还提供了丰富的后处理功能，可用于分析结果的可视化、数据提取和报告生成。
由于其广泛的应用领域和功能强大的分析能力，ABAQUS被广泛用于设计优化、性能评估、故障分析和产品验证等工作。同时，ABAQUS也为用户提供了全面易用的二次开发接口，以方便用户进行自定义修改。
2.3 有限元计算结果与试验结果比较
由于缺乏部分填充混凝土带T肋箱形钢桥墩的试验结果，为验证三维有限元模型的准确性，本节针对部分填充混凝土无肋钢桥墩和部分填充混凝土带一字肋箱形钢桥墩两组既有试验数据，结合前文所介绍的单元属性和材料本构等，建立三维弹塑性有限元分析模型，并将计算结果与既有试验数据进行比较，验证本文所采用的有限元建模方法的可靠性与准确性，并以此为基础，开展后续的研究工作。
2.3.1 部分填充混凝土无肋箱形钢桥墩
参照以往试验[32]中试件S73-32-50和试件S83-32-50的几何参数（参见表2-3），建立如图2-9(b)所示的三维有限元分析模型。
由于试件的几何形状及其所承受的荷载均是对称的，因此建立如图2-9(c)阴影所示的1/2模型。其中，b为翼缘板宽度；d为腹板宽度；h为试件高度；Ld为横隔板间距（在本节的试件中，Ld=b）；P/Py为轴压比；Rf为翼缘正则化宽厚比；按公式（2-20）计算。
第3章 内置T肋箱形纯钢桥墩的受力机理分析 .................. 19
3.1 概述 .............................. 19
3.2有限元分析模型的确立 .............................. 19
第4章 30%填充混凝土带T肋箱形钢桥墩的延性性能分析 .............................. 27
4.1 概述 ........................................ 27
4.2 有限元计算模型的确立 ........................ 27
第5章 50%填充混凝土带T肋箱形钢桥墩的延性性能分析 .............................. 43
5.1 概述 ................................ 43
5.2 有限元模型的确立 ................................ 43
第6章 二维梁柱单元模型简化计算方法
6.2 有限元模型的确立
6.2.1 梁柱单元的选取
根据2.2.3节对梁柱单元特性的介绍，ABAQUS中所有的梁单元都属于梁柱类单元，即既可以产生轴向变形，又可以产生弯曲和扭转变形。因此，本文采用两节点二维线性梁单元B21作为二维梁柱单元模型的单元属性。
6.2.3 有限元计算模型的建立
根据4.2节和5.2节阐述的试件三维有限元模型参数建立二维梁柱单元模型，试件几何尺寸均与前文一致，底部填充的混凝土与钢管之间采用共节点的约束条
第7章 总结与展望
7.1 主要研究成果
本文在总结部分填充混凝土内置传统一字肋钢桥墩和内置T肋箱形纯钢桥墩的抗震性能研究成果基础上，利用ABAQUS软件建立三维弹塑性有限元模型，对部分填充混凝土内置T肋箱形钢桥墩在承受恒定竖向荷载和水平往复荷载作用下的延性性能进行参数化分析研究。探究翼缘正则化宽厚比、试件正则化长细比、加劲肋正则化长细比和柱顶轴压比等主要变化参数对桥墩极限承载力和延性性能的影响规律。最后采用二维梁柱单元模型计算桥墩的延性性能，提出对底部钢板的极限应变进行修正的方法。
主要研究成果和结论如下：
1、基于既有试验中的钢桥墩试件，建立2个混凝土填充率为50%的无肋箱形钢桥墩和1个混凝土填充率为30%的带一字肋箱形钢桥墩的三维弹塑性有限元模型。通过将数值模拟结果与试验结果进行比较，发现两者在水平荷载-位移滞回曲线和破坏模式上均吻合较好，表明本文所采用的三维有限元建模方法具有较高的准确性。2、建立了2个内置传统一字肋箱形纯钢桥墩和2个内置T形加劲肋箱形纯钢桥墩的有限元分析模型。通过将其变形图和水平荷载-位移滞回曲线进行对比，探讨T形加劲肋的优势，发现T形加劲肋由于其自身翼缘对腹板的支撑作用，使得腹板不容易发生局部屈曲。与传统一字
