本文是一篇土木工程论文，本文在通过与既有试验结果对比确定有限元建模方法准确性的基础上，首先对内置8根T肋圆管。钢桥墩在承受恒定竖向荷载与水平往复荷载作用下的极限承载力和延性性能展开探究。
第1章绪论
1.1研究背景与意义
地震是一种自然现象，会对人类社会和自然环境造成严重影响。近年来，地震对世界各国的影响和破坏仍在持续。表1-1为近年各国重大地震受灾情况。例如2008年5月，中国汶川发生8级地震，造成69227人遇难、17923人失踪，受灾总人口达4625.6万人；2017年9月，墨西哥中部莫雷洛斯州发生7.1级地震，造成325人死亡；2018年9月，一场7.4级的地震袭击了印度尼西亚中苏拉威西省，进而引发了海啸，造成2000多人死亡；2023年2月，土耳其南部遭遇7.8级强震，致使大量人员伤亡，财产损失惨重；2025年1月，日本能登半岛海域发生7.6级地震，造成92人死亡，242人失联等。公路作为推动经济发展的关键要素，在交通系统里占据核心地位，堪称交通网络的咽喉要道，尤其在救灾行动中，更发挥着保障生命救援通道的关键作用。当地震来袭，公路一旦严重受损，交通网络便会陷入中断，由此引发的后果往往极为严重。回首2008年汶川大地震，四川省道路遭受大面积破坏，道路损毁近3万公里，直接经济损失高达580亿元，严重威胁人民生命财产安全。地震发生后，汶川和茂县等受灾严重地区的道路交通完全中断，这无疑给受灾地区的救援工作增添了巨大阻碍，救援资源难以快速、高效地抵达受灾群众身边，延误了许多宝贵的救援时机。即便在震后3个月，仍有多条国道、省道主干线未能抢通，致使区域间交通功能大幅削弱，对受灾地区的灾后恢复与重建产生了极为不利的影响[1]。桥梁作为公路的控制性工程，在此次地震中受损程度同样触目惊心，损失巨大，其中严重破坏及损毁的桥梁多达128座。
1.2国内外研究现状
1.2.1纯钢桥墩延性性能研究
通过查阅有关资料，目前已有许多专家和工程师对钢结构桥墩进行了深入的研究，主要集中在常竖向和横向复合加载两种情况下，钢墩的极限承载力和延性。且收获了丰富的研究成果。
对于独柱式圆管钢桥墩抗震性能方面的研究，国内外的相关研究都开展得比较早，且已经形成较为成熟的研究体系，其中尤其在日本，相关的研究工作开展得更加系统和成熟。从80年代开始，日本的高架桥、立交桥和新干线等项目都采用了钢墩柱。上世纪90年代，尤其是1995年日本坂神大地震后，钢墩柱的抗震性能研究日益受到重视，并在1996年，对《日本公路桥梁抗震设计规范》进行修订，将仅对钢筋混凝土结构实施的延性设计观念引入到钢结构设计当中[3-6]。
钢材的材料特性会对钢桥墩力学性能的研究产生很大影响。因此，要想利用有限元模拟的方式准确预测出钢桥墩在实际遭受地震时的表现，就得正确选用钢材在往复荷载作用下的应力—应变关系。针对这一要点，诸多学者积极开展了理论层面的深入探究，同时辅以试验工作。以石永久、王萌和王元清[7-10]的研究为例，他们根据Ramberg-Osgood[11]和Chaboche[12]模型，利用多种加载方法，对Q235B、Q345B等常见钢材一维拟合参数进行了试验研究以及材料参数标定。
高圣彬和葛汉彬[13-14]运用等向强化模型、随动强化模型以及名古屋大学研发的考虑材料非线性的修正双曲面本构模型（2SM），对箱形截面钢桥墩开展数值模拟。与实验所得的滞回曲线、包络线等数据进行比较，结果表明：改进后的2SM模型可以较准确地预测厚壁、薄壁钢墩的滞回性能。随动强化模型和等向强化模型只能对薄壁钢墩的滞回特性进行较为精确的预测。该2SM本构模型是通过改进Dafalias和Popov[15]提出的钢材双曲面模型而形成的。
第2章三维有限元建模方法验证
2.2有限单元法和ABAQUS有限元分析软件简介
2.2.1有限单元法
有限单元法[56-57]（Finite Element Method,FEM）是进行结构分析的一种重要的数值计算方法。20世纪40年代R.Courant首次提出了有限单元法的基本思想。1956年M.J.Turner和R.W.clough等人采用有限单元法成功地分析了飞机的结构，成为了该方法的首个应用范例。之后Clough在1960年正式提出了“有限单元法”。在过去的几十年间，随着计算机技术持续推陈出新，有限元法的理论体系得以逐步完善，应用领域也不断拓展，呈现出迅猛的发展态势。现如今，有限元分析法已成为结构分析方法中不可或缺的一员。
有限元法核心思想是将求解域划分为很多的互连子域。它是一种将连续问题转化为离散问题并求得近似解的方法。
2.2.2 ABAQUS有限元分析软件
在众多商业有限元分析软件中，由达索系统公司（Dassault-Systèmes）开发并推向市场的ABAQUS[49]，凭借其卓越性能得到广泛应用。它能够有效求解结构力学、热传导、流体力学等一系列物理问题。ABAQUS具备强大的建模能力与全面的分析功能，可针对各类工程应用场景下的结构特性和材料行为进行深入模拟与精准剖析。
2.3钢材本构关系
在对钢结构的研究进程中，对钢材材料属性的探索一直是钢结构研究领域的重要课题，正确认识钢材在各类荷载作用下的力学性能是开展钢结构研究的基础。例如，当今一些已被验证能够较好反应钢材在单向荷载作用下的本构模型有：
理想弹塑性本构模型：钢材在弹性阶段遵循线弹性关系，当应力达到屈服强度fy后，材料进入塑性阶段，应力不再增加而应变持续增大，呈现出完全塑性的特征，直到材料破坏。此模型简单直观，常用于结构的极限分析和塑性设计，如对一些承受静力荷载的钢结构构件进行极限承载力计算时，可采用该模型快速估算结构的承载能力和变形情况。
双线性弹塑性模型：将钢材的应力-应变关系简化为两条直线，一条代表弹性阶段，另一条代表弹塑性阶段，通过屈服点将两者连接起来。这种模型在计算上相对简单，同时又能较好地体现钢材的弹塑性特性，常用于工程结构的初步设计和简化分析，可快速对结构的受力和变形进行大致评估。
带有屈服平台的应变强化本构模型：该模型基于钢材的实际力学性能，认为钢材在受力初期处于弹性阶段，应力与应变成正比关系，遵循胡克定律。当应力达到一定值（屈服强度）后，钢材进入屈服阶段，此时应力几乎不增加，而应变持续增大，形成一个屈服平台。在屈服平台之后，钢材进入应变强化阶段，随着应变的进一步增加，应力又开始上升，材料表现出强化特性，这是由于钢材内部的晶体结构在塑性变形过程中发生了变化，导致材料的强度提高。
第3章 内置T肋圆管钢桥墩的延性性能研究 ...................... 19
3.1 概述 ................................. 19
3.2 内置 8 根T肋圆管钢桥墩的优势分析 ....................... 19
第4章 内置T肋圆管截面钢短柱的延性性能研究 .................. 41
4.1 概述 ............................... 41
4.2 无肋钢短柱数值模拟方法的验证 ................... 41
第5章 结论与展望 .................................. 59
5.1 结论 ................................... 59
5.2 展望 ............................. 60
第4章内置T肋圆管截面钢短柱的延性性能研究
4.1概述
在地震作用下，钢桥墩底部往往因承受巨大的压力、剪力和弯矩而发生屈曲破坏，与一定高度范围内的钢短柱在承受压弯荷载下的屈曲破坏相似。因此，研究钢短柱受力行为对研究钢桥墩整体失效具有重要意义。
本章以前文内置8根T肋圆管钢桥墩的研究为基础，首先对文献[49]中提到的三个钢短柱轴压试验试进行三维弹塑性有限元模拟分析，通过试验验证，确保有限元建模方法的准确性和可靠性。在试验验证的基础上建立内置8根T肋圆管截面钢短柱的三维弹塑性有限元分析模型，根据Gao等提出的临界高径比概念，研究内置T肋圆管截面钢短柱的正则化径厚比和加劲肋正则化长细比对临界高径比的影响规律。最后，在总结建模方法和临界高径比的基础上，通过参数化分析，研究了在压弯荷载作用下钢短柱正则化径厚比、加劲肋长细比和轴压比等参数对钢短柱延性性能的影响规律，并提出了预测此类钢短柱极限压应变的经验公式。
第5章结论与展望
5.1结论
本文在通过与既有试验结果对比确定有限元建模方法准确性的基础上，首先对内置8根T肋圆管。钢桥墩在承受恒定竖向荷载与水平往复荷载作用下的极限承载力和延性性能展开探究。通过数据处理与分析，拟合出可用于预测该类钢桥墩极限承载力和延性比的经验公式。然后，进一步探讨内置T肋圆管截面钢短柱的临界高径比变化规律。最后，对内置T肋圆管截面钢短柱在压弯荷载作用下的延性性能进行参数化分析研究，提出了预测其极限应变的公式。本文主要研究成果与结论如下:
（1）利用ABAQUS软件对内置T肋圆管钢桥墩试验试件进行弹塑性有限元分析，通过将有限元计算结果与试验结果进行对比，证实本文运用的有限元分析方法能够准确预测此类钢桥墩的滞回性能和破坏模式。
（2）为探究内置T肋圆管钢桥墩的正则化径厚比、钢桥墩正则化长细比、加劲肋正则化长细比以及轴压比等参数，对钢桥墩极限承载力和延性性能的影响规律，建立了96个不同正则化径厚比、钢桥墩正则化长细比、加劲肋正则化长细比和轴压比的内置8根T肋圆管钢桥墩三维弹塑性有限元分析模型，对其开展参数化分析。研究发现，当正则化径厚比、钢桥墩正则化长细比、加劲肋正则化长细比以及轴压比逐渐减小时，钢桥墩的极限承载力和延性性能会
