鉆石型橋塔斜拉橋橫向抗震性能：試驗與數(shù)值模擬的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義斜拉橋作為一種大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，憑借其獨特的結(jié)構(gòu)形式和卓越的跨越能力，在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中占據(jù)著舉足輕重的地位。自1956年瑞典建成主跨183m的Stromsund橋，開啟現(xiàn)代密索體系斜拉橋技術(shù)新時代以來，斜拉橋的發(fā)展日新月異。其應(yīng)用迅速超越拱橋和懸索橋，成為當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系之一。例如，2012年建成通車的俄羅斯RusskyIsland橋，主跨達(dá)到1104m，展現(xiàn)了斜拉橋在大跨度橋梁領(lǐng)域的強(qiáng)大優(yōu)勢。斜拉橋由橋塔、橋面系、斜拉索、邊墩（錨固墩、輔助墩）和支撐連接裝置（支座等）組成。在這種結(jié)構(gòu)體系中，橋塔、加勁梁和拉索三者相互依存，共同構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)以承受和傳遞荷載。在恒載作用下，主動調(diào)索可使主梁和橋塔主要承受軸力，恒載彎矩幾乎可以忽略；而在活載作用下，主梁和橋塔受力主要是結(jié)構(gòu)被動反應(yīng)，所產(chǎn)生的主要是彎矩作用。盡管活荷載相對于恒載較小，但在主梁和橋塔中所產(chǎn)生的彎矩，對于結(jié)構(gòu)的受力與經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。鉆石型橋塔斜拉橋作為斜拉橋的一種特殊形式，具有獨特的結(jié)構(gòu)特點和力學(xué)性能。其下塔柱采用向內(nèi)傾斜設(shè)計，這種設(shè)計不僅有效減小了橋塔基礎(chǔ)尺寸，降低了工程成本，還使結(jié)構(gòu)形態(tài)更加優(yōu)美，具有較高的美學(xué)價值。例如，常泰長江大橋南主塔采用“鋼材-混凝土”混合結(jié)構(gòu)空間鉆石型橋塔設(shè)計，是世界首創(chuàng)。相較于兩肢塔方案，四肢塔方案的單肢混凝土用量降低約30%，有效降低了單次澆筑混凝土的干縮及收縮裂紋，同時增大了橋塔截面慣性矩，提高了塔的整體剛度。然而，鉆石型橋塔的特殊結(jié)構(gòu)也使其受力更加復(fù)雜。在地震等自然災(zāi)害作用下，其抗震性能及損傷機(jī)理尚不明確。地震發(fā)生時，隨著地震波的傳播，場地地基產(chǎn)生振動，激發(fā)斜拉橋各構(gòu)件振動，地基土、斜拉橋結(jié)構(gòu)相互作用，形成多質(zhì)點多自由度體系的強(qiáng)迫振動。斜拉橋各構(gòu)件產(chǎn)生加速度，形成慣性力，在慣性力作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形。若內(nèi)力和變形超過結(jié)構(gòu)的容許范圍，結(jié)構(gòu)將開裂、鋼筋屈服，直至橋梁倒塌。對于鉆石型橋塔斜拉橋而言，由于其橋塔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在地震作用下可能會出現(xiàn)多種破壞模式，如塔柱的彎曲破壞、剪切破壞，以及塔梁連接處的損傷等。研究鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能具有極其重要的意義。從保障橋梁安全的角度來看，橋梁作為交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其安全性直接關(guān)系到人民生命和財產(chǎn)的安全。鉆石型橋塔斜拉橋通常建設(shè)在交通要道上，一旦在地震中發(fā)生破壞，將導(dǎo)致交通中斷，給救援工作帶來極大困難，同時也會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，1995年日本阪神大地震中，阪神高速線上的東神戶大橋（跨徑組成為200m+485m+200m）發(fā)生震害，橋梁結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損，交通中斷，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和社會生活帶來了沉重打擊。通過深入研究鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能，可以揭示其在地震作用下的損傷破壞機(jī)理，為橋梁的抗震設(shè)計和加固提供科學(xué)依據(jù)，從而有效提高橋梁的抗震能力，保障橋梁在地震等自然災(zāi)害中的安全。從指導(dǎo)工程設(shè)計的角度來看，目前在斜拉橋的設(shè)計中，對于鉆石型橋塔的抗震設(shè)計還缺乏完善的理論和方法。現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)在某些方面不能完全滿足鉆石型橋塔斜拉橋的抗震設(shè)計需求。通過對鉆石型橋塔斜拉橋橫向抗震性能的研究，可以為工程設(shè)計提供更合理的設(shè)計參數(shù)和方法，優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高設(shè)計的科學(xué)性和可靠性。例如，通過研究不同地震波作用下鉆石型橋塔的地震響應(yīng)，可以確定橋塔在不同地震工況下的最不利受力狀態(tài)，從而為橋塔的截面尺寸設(shè)計、配筋設(shè)計等提供依據(jù)。同時，研究成果還可以為橋梁抗震構(gòu)造措施的設(shè)計提供參考，如在塔梁連接處設(shè)置合適的阻尼裝置、加強(qiáng)橋塔與基礎(chǔ)的連接等，以提高橋梁的整體抗震性能。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀斜拉橋的抗震性能研究一直是橋梁工程領(lǐng)域的重要課題。國內(nèi)外學(xué)者針對斜拉橋在地震作用下的響應(yīng)開展了大量研究，涵蓋了結(jié)構(gòu)體系、地震響應(yīng)分析方法、抗震構(gòu)造措施等多個方面。在斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究中，學(xué)者們對不同結(jié)構(gòu)體系的斜拉橋進(jìn)行了深入分析。從抗震設(shè)計角度來看，雙塔三跨斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系大致可分為四類：全漂浮體系或半漂浮體系、塔梁固結(jié)體系或塔梁固定鉸支承體系、塔梁不對稱約束體系、塔梁彈性約束體系。全漂浮體系或半漂浮體系的縱橋向剛度最小，周期最長，在地震作用下位移反應(yīng)最大，但塔柱內(nèi)力反應(yīng)最小，適用于跨度不大的斜拉橋，在烈度較高地區(qū)也有一定優(yōu)勢；隨著跨度增大，位移問題突出，不太適合超大跨度斜拉橋。塔梁固結(jié)體系或塔梁固定鉸支承體系縱橋向剛度最大，周期最短，位移反應(yīng)最小，但塔柱內(nèi)力反應(yīng)最大，且大跨度斜拉橋由溫度引起的塔柱內(nèi)力也較大，一般不宜在烈度較高地區(qū)采用。塔梁不對稱約束體系縱橋向剛度較大，位移較小，但兩塔與梁的不對稱約束造成慣性力傳遞不均勻，兩塔地震反應(yīng)內(nèi)力相差懸殊，不利于兩塔抗震能力的充分發(fā)揮，在烈度較高地區(qū)應(yīng)避免采用。塔梁彈性約束體系是半漂浮體系和塔梁固定鉸支承體系的折中方案，能在地震作用下兼顧橋梁的強(qiáng)度和變形能力，是比較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系。在地震響應(yīng)分析方法方面，反應(yīng)譜法和時程分析法是常用的兩種方法。反應(yīng)譜法通過將地震作用簡化為一系列單自由度體系的最大反應(yīng)，來計算結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，具有計算簡便、概念清晰的優(yōu)點，在工程設(shè)計中應(yīng)用廣泛。時程分析法直接輸入地震波，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程分析，能夠更真實地反映結(jié)構(gòu)在地震過程中的非線性行為，但計算量大，對計算條件要求較高。李貞新等人采用反應(yīng)譜法和時程分析法對宜賓長江大橋進(jìn)行地震反應(yīng)對比分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足要求，抗震結(jié)構(gòu)體系采用彈性索體系是合適的，還可進(jìn)一步降低彈性索剛度或者采用彈性索＋阻尼器體系來減小橋梁地震反應(yīng)，同時建議大跨度斜拉橋應(yīng)采用這兩種方法同時計算，以二者計算結(jié)果的較大值作為抗震設(shè)計依據(jù)。在抗震構(gòu)造措施研究中，學(xué)者們關(guān)注擋塊、阻尼器等裝置對斜拉橋抗震性能的影響。徐略勤、李建中以寧波大榭二橋為工程背景，采用非線性時程法分析比較了不考慮擋塊作用、考慮擋塊影響、擋塊破壞后的效應(yīng)三種狀況下斜拉橋的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，研究表明梁體與擋塊的碰撞效應(yīng)有利于改善斜拉橋在地震作用下的橫向受力，降低控制橫向設(shè)計的錨墩的響應(yīng)需求；擋塊的破壞則會導(dǎo)致梁體側(cè)向過大的位移，帶來結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和疲勞方面的隱患；通過在邊墩和錨墩設(shè)置粘滯阻尼器可以改善結(jié)構(gòu)的受力、限制梁體的側(cè)移并使支座免于破壞，但增加了設(shè)計困難和建設(shè)造價，而設(shè)置足夠強(qiáng)度的擋塊值得推薦。針對鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能研究相對較少。張超等人以典型RC鉆石型橋塔斜拉橋為背景，設(shè)計了縮尺比為1/40的試驗橋塔模型，開展了橫向兩點擬靜力循環(huán)往復(fù)試驗，揭示了橫向地震作用下鉆石型橋塔的損傷破壞過程，分析了橋塔滯回特性及變形特征，并基于連續(xù)模態(tài)推覆分析方法（CMP）對橋塔的抗震性能進(jìn)行了評估。分析結(jié)果表明，在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，中塔柱左肢首先發(fā)生損傷，其次中塔柱右肢損傷，最后中橫梁下側(cè)塔柱因產(chǎn)生明顯的塑性鉸而失效；中塔柱的滯回曲線較為飽滿，骨架曲線有明顯下降段和捏攏效應(yīng)，剛度和強(qiáng)度退化較下塔柱更為明顯；CMP方法分析得到的鉆石型橋塔損傷失效模式與試驗結(jié)果一致，地震響應(yīng)分析結(jié)果與非線性時程分析結(jié)果吻合較好，且計算效率顯著提升。現(xiàn)有研究在斜拉橋抗震性能方面取得了豐碩成果，但針對鉆石型橋塔斜拉橋橫向抗震性能的研究仍存在不足。在試驗研究方面，現(xiàn)有的試驗大多集中在整體結(jié)構(gòu)的抗震性能試驗，針對鉆石型橋塔單獨的橫向抗震性能試驗較少，且試驗工況和加載制度不夠全面，難以全面揭示其在復(fù)雜地震作用下的力學(xué)行為和損傷機(jī)理。在數(shù)值模擬方面，雖然有限元軟件在斜拉橋抗震分析中得到廣泛應(yīng)用，但對于鉆石型橋塔這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)，模型的準(zhǔn)確性和可靠性仍有待提高，特別是在考慮材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等方面，還存在一定的改進(jìn)空間。此外，目前對于鉆石型橋塔斜拉橋橫向抗震性能的評估方法和指標(biāo)體系還不夠完善，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，難以對其抗震性能進(jìn)行準(zhǔn)確、全面的評價。1.3研究內(nèi)容與方法本文圍繞鉆石型橋塔斜拉橋橫向抗震性能展開深入研究，主要從試驗研究和數(shù)值模擬兩個方面開展工作，旨在揭示其在地震作用下的力學(xué)行為和損傷機(jī)理，為該類橋梁的抗震設(shè)計和加固提供科學(xué)依據(jù)。在試驗研究方面，以某實際鉆石型橋塔斜拉橋為工程背景，按照相似理論設(shè)計并制作縮尺比例為1:X的橋塔模型，確保模型能夠準(zhǔn)確反映原型橋塔的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征。對制作好的橋塔模型開展擬靜力循環(huán)往復(fù)試驗，模擬不同地震作用下橋塔的受力情況。試驗過程中，采用分級加載制度，從低幅值荷載逐漸增加到高幅值荷載，記錄各級荷載作用下橋塔的位移、應(yīng)變、裂縫開展等數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究橋塔在橫向地震作用下的損傷破壞過程，包括裂縫的出現(xiàn)位置、發(fā)展方向以及構(gòu)件的屈服順序等，明確橋塔的薄弱部位和潛在破壞模式。同時，分析橋塔的滯回特性，如滯回曲線的形狀、面積等，評估橋塔的耗能能力和抗震性能；研究橋塔的變形特征，包括水平位移、轉(zhuǎn)角等，了解橋塔在地震作用下的變形規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，利用通用有限元軟件建立鉆石型橋塔斜拉橋的三維有限元模型。模型中，綜合考慮材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素。對于材料非線性，采用合適的本構(gòu)模型來描述混凝土和鋼材在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為；對于幾何非線性，考慮大變形效應(yīng)，確保模型能夠準(zhǔn)確反映橋塔在地震作用下的實際受力情況；對于接觸非線性，模擬橋塔與基礎(chǔ)、橋塔與主梁之間的接觸行為，考慮接觸界面的摩擦、分離和滑移等現(xiàn)象。對建立好的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，計算橋塔的自振頻率和振型，了解橋塔的動力特性，為后續(xù)的地震響應(yīng)分析提供基礎(chǔ)。采用時程分析法對有限元模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，輸入多條不同類型的地震波，如天然地震波和人工合成地震波，模擬橋塔在不同地震波作用下的地震響應(yīng)。分析地震響應(yīng)結(jié)果，研究橋塔在不同地震波作用下的內(nèi)力分布規(guī)律，如軸力、彎矩、剪力等，確定橋塔在不同地震工況下的最不利受力狀態(tài)；分析橋塔的位移響應(yīng)，包括水平位移和豎向位移，評估橋塔的變形能力和穩(wěn)定性。本文綜合運(yùn)用擬靜力循環(huán)往復(fù)試驗和有限元模擬相結(jié)合的研究方法。通過試驗研究，獲取橋塔在實際受力情況下的力學(xué)性能和損傷破壞特征，為數(shù)值模擬提供試驗數(shù)據(jù)支持和驗證；通過數(shù)值模擬，對橋塔在不同地震工況下的響應(yīng)進(jìn)行全面分析，彌補(bǔ)試驗研究在工況數(shù)量和加載條件上的局限性。具體技術(shù)路線為：首先，根據(jù)實際工程背景確定研究對象，收集相關(guān)設(shè)計資料和地質(zhì)信息；然后，依據(jù)相似理論設(shè)計并制作橋塔模型，制定試驗方案，開展擬靜力循環(huán)往復(fù)試驗，記錄和分析試驗數(shù)據(jù)；與此同時，利用有限元軟件建立橋塔的三維有限元模型，進(jìn)行模型驗證和參數(shù)校準(zhǔn)；最后，運(yùn)用驗證后的有限元模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，總結(jié)鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能，提出相應(yīng)的抗震設(shè)計建議和措施。二、鉆石型橋塔斜拉橋概述2.1結(jié)構(gòu)特點鉆石型橋塔斜拉橋是一種極具特色的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其整體結(jié)構(gòu)由橋塔、主梁、斜拉索以及基礎(chǔ)等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同承擔(dān)橋梁的荷載，確保橋梁的安全與穩(wěn)定。橋塔是鉆石型橋塔斜拉橋的關(guān)鍵承重結(jié)構(gòu)，其獨特的鉆石造型賦予了橋梁獨特的力學(xué)性能和美學(xué)價值。以常泰長江大橋南主塔為例，采用“鋼材-混凝土”混合結(jié)構(gòu)空間鉆石型橋塔設(shè)計，這種設(shè)計不僅在結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新，而且在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。橋塔通常由下塔柱、中塔柱和上塔柱構(gòu)成，下塔柱向內(nèi)傾斜，這一設(shè)計特點是鉆石型橋塔區(qū)別于其他橋塔形式的顯著特征之一。下塔柱的傾斜角度一般在一定范圍內(nèi)，根據(jù)不同的橋梁設(shè)計和工程需求，該角度會有所調(diào)整。例如，在某些橋梁中，下塔柱的傾斜角度可能在10°-20°之間，通過精確的力學(xué)計算和模擬分析，確定出最適合該橋梁的傾斜角度，以保證橋塔在承受各種荷載時的穩(wěn)定性和安全性。這種向內(nèi)傾斜的設(shè)計有效地減小了橋塔基礎(chǔ)的尺寸，從而降低了基礎(chǔ)工程的成本。同時，由于下塔柱傾斜，使得橋塔的整體重心更加穩(wěn)定，增強(qiáng)了橋塔在水平荷載作用下的抵抗能力。中塔柱和上塔柱則相對較為豎直，它們與下塔柱共同構(gòu)成了一個穩(wěn)定的塔架結(jié)構(gòu)，為斜拉索提供可靠的錨固點，將斜拉索傳遞的拉力有效地分散到基礎(chǔ)上。主梁作為橋梁的主要承載結(jié)構(gòu)，直接承受車輛、行人等荷載，并將這些荷載傳遞給斜拉索和橋塔。在鉆石型橋塔斜拉橋中，主梁的形式多種多樣，常見的有鋼箱梁、混凝土箱梁以及鋼混組合梁等。不同類型的主梁具有各自的特點和適用場景。鋼箱梁具有自重輕、強(qiáng)度高、施工速度快等優(yōu)點，能夠適應(yīng)大跨度橋梁的建設(shè)需求。例如，在一些跨江、跨海的鉆石型橋塔斜拉橋中，由于跨度較大，采用鋼箱梁可以有效減輕橋梁的自重，降低下部結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，同時提高施工效率，縮短建設(shè)周期。混凝土箱梁則具有剛度大、耐久性好等特點，在一些對剛度要求較高的橋梁中應(yīng)用較為廣泛。它能夠提供穩(wěn)定的承載平臺，減少橋梁在使用過程中的變形，確保行車的舒適性和安全性。鋼混組合梁則結(jié)合了鋼和混凝土的優(yōu)點，充分發(fā)揮了鋼材的抗拉性能和混凝土的抗壓性能，在一些特定的工程條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)構(gòu)性能。主梁的截面形狀和尺寸根據(jù)橋梁的跨度、荷載等級以及設(shè)計要求等因素進(jìn)行精心設(shè)計。一般來說，主梁的截面高度與跨度之間存在一定的比例關(guān)系，通常在1/40-1/80之間，具體數(shù)值需要根據(jù)橋梁的實際情況通過詳細(xì)的力學(xué)計算來確定。合理的截面形狀和尺寸設(shè)計能夠保證主梁在承受荷載時具有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時滿足經(jīng)濟(jì)性和美觀性的要求。斜拉索是連接主梁和橋塔的重要構(gòu)件，它如同橋梁的“生命線”，將主梁的荷載傳遞給橋塔，使主梁能夠跨越較大的跨度。斜拉索一般采用高強(qiáng)度的鋼材制成，如平行鋼絲索或鋼絞線等。這些材料具有高強(qiáng)度、高韌性的特點，能夠承受巨大的拉力。斜拉索的布置方式對橋梁的受力性能有著重要影響，常見的布置方式有輻射形、豎琴形和扇形等。在鉆石型橋塔斜拉橋中，扇形布置較為常見，這種布置方式使得斜拉索在橋塔和主梁上的錨固點分布更加合理，能夠有效地減小斜拉索的拉力和主梁的彎矩。斜拉索的索力大小和分布需要根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)形式、荷載情況以及施工過程等因素進(jìn)行精確計算和調(diào)整。在施工過程中，通過對斜拉索索力的調(diào)整，可以使橋梁結(jié)構(gòu)在各個施工階段都能保持良好的受力狀態(tài)，確保施工的安全和質(zhì)量。在橋梁運(yùn)營階段，索力的監(jiān)測和調(diào)整也是保證橋梁安全的重要措施之一，通過實時監(jiān)測索力的變化，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行處理，以確保橋梁的正常運(yùn)行。在鉆石型橋塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系中，存在著明確的受力特性和傳力路徑。在豎向荷載作用下，如車輛荷載、人群荷載以及主梁自身的重力等，主梁首先承受這些荷載，并產(chǎn)生彎曲變形。由于主梁通過斜拉索與橋塔相連，主梁所承受的荷載會通過斜拉索傳遞給橋塔。斜拉索在承受拉力的同時，將荷載分解為水平分力和豎向分力。水平分力使橋塔產(chǎn)生橫向的彎曲應(yīng)力，豎向分力則通過橋塔傳遞到基礎(chǔ)，由基礎(chǔ)將荷載最終傳遞到地基中。在這個過程中，下塔柱的向內(nèi)傾斜起到了重要作用，它能夠有效地抵抗斜拉索水平分力產(chǎn)生的彎矩，使橋塔的受力更加合理。在水平荷載作用下，如風(fēng)力、地震力等，橋塔和主梁共同抵抗這些荷載。橋塔作為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承受大部分的水平荷載，通過自身的剛度和強(qiáng)度將水平力傳遞到基礎(chǔ)。主梁則通過與斜拉索的協(xié)同作用，輔助橋塔抵抗水平荷載，同時自身也會產(chǎn)生一定的水平位移和內(nèi)力。斜拉索在水平荷載作用下，不僅起到傳遞荷載的作用，還能夠通過自身的拉力調(diào)整主梁和橋塔的受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下保持穩(wěn)定。2.2工程應(yīng)用實例鉆石型橋塔斜拉橋在國內(nèi)外眾多橋梁工程中得到了廣泛應(yīng)用，這些橋梁不僅在交通領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，還以其獨特的結(jié)構(gòu)和卓越的性能成為了當(dāng)?shù)氐臉?biāo)志性建筑。望東長江大橋是中國安徽省境內(nèi)連接安慶市望江縣與池州市東至縣的過江通道，也是濟(jì)南—廣州高速公路（國家高速G35）的關(guān)鍵組成部分。該橋于2009年12月28日動工興建，2016年8月10日完成主橋合龍工程，同年12月30日正式通車運(yùn)營。望東長江大橋西起華陽互通，跨越長江水道后，東接香隅樞紐立交，線路全長3.608千米，主橋長1250米，主跨達(dá)638米。其橋面設(shè)計為雙向六車道高速公路，設(shè)計速度為100千米/小時，概算總投資50.38億元人民幣。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，望東長江大橋的索塔采用鉆石型橋塔方案，塔高216米。這種設(shè)計使得橋塔具有超大懸臂空間構(gòu)造，在當(dāng)時位居世界前列，極大地豐富了斜拉橋索塔的結(jié)構(gòu)選型。同時，主梁采用PK箱形組合梁設(shè)計，全橋共計224根斜拉索，標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)為1860兆帕，拉索最長348.99米。在施工過程中，該橋攻克了諸多技術(shù)難題。例如，大橋南主墩基礎(chǔ)施工創(chuàng)新性地采用了高低刃腳異型鋼圍堰臥式翻轉(zhuǎn)水下施工技術(shù)；主梁設(shè)計基于時變效應(yīng)應(yīng)力作用下的鋼混結(jié)合新方法，有效改善了疊合梁的長期受力性能；主梁制造采用預(yù)制橋面板與鋼梁組拼工藝相結(jié)合的全節(jié)段工廠化制造方法，實現(xiàn)了疊合梁標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化施工；主梁架設(shè)運(yùn)用懸臂吊裝無預(yù)應(yīng)力施工架設(shè)工藝，不僅縮短了大橋工期，還節(jié)約了工程造價。望東長江大橋建成通車后，大大縮短了望江縣對外經(jīng)濟(jì)溝通時間，拉近了與長三角滬寧杭地區(qū)的距離。它使?jié)鷱V線高速公路原經(jīng)安慶過江的路程縮短了50千米，九江大橋上皖中北、山東、蘇北等北部地區(qū)通往福建、贛東的車輛行程縮短了47千米。這對于加強(qiáng)華東、華北地區(qū)與華南地區(qū)的交通經(jīng)濟(jì)聯(lián)系、充分發(fā)揮濟(jì)廣高速公路的效益、避免出現(xiàn)過江交通瓶頸現(xiàn)象起到了積極的促進(jìn)作用，同時也有力地加強(qiáng)了大橋長江兩岸地區(qū)的交通經(jīng)濟(jì)交往，對加快皖江沿線的整體開發(fā)發(fā)揮著重要作用。平塘特大橋位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣牙舟鎮(zhèn)與通州鎮(zhèn)之間的槽渡河大峽谷之上，是貴州平羅高速公路的控制性工程。該橋于2016年4月29日動工興建，2019年9月26日完成主橋合龍工程，同年12月31日通車運(yùn)營。平塘特大橋全長2135米，橋面寬30.2米，規(guī)劃為雙向4車道，是一座三塔雙索面疊合梁斜拉橋，總投資約15億元，由中交第二公路工程局和貴州橋梁集團(tuán)共同承建。平塘特大橋的橋體采用了造型優(yōu)美的空間鉆石形索塔，三座橋塔的高度均在300米左右，其中平塘岸邊塔總高320米，羅甸岸邊塔總高298米，中塔總高332米，相當(dāng)于約110層的高樓，為世界第一高鋼筋混凝土橋塔。在設(shè)計過程中，考慮到大橋位于平里河風(fēng)景區(qū)附近，對橋梁的景觀要求較高，同時作為超高塔三塔斜拉橋，橋塔的剛度要求也較高，因此將景觀設(shè)計巧妙地融入橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計，成為了該橋的設(shè)計重點與難點。在施工中，建設(shè)者們采用了鋼梁整節(jié)段縱移轉(zhuǎn)體懸拼工藝，這一工藝為國內(nèi)首創(chuàng)。利用自主研發(fā)的新型橋面吊機(jī)，在狹窄的施工場地內(nèi)，成功完成了鋼梁整節(jié)段的縱移、轉(zhuǎn)體懸拼。平塘特大橋通車后，平塘到羅甸的行車時間從兩個半小時縮短至一個小時，成為連接貴州南部的交通要道，對助推滇黔桂石漠化片區(qū)脫貧攻堅具有重要意義。同時，該橋以其獨特的造型和壯觀的規(guī)模，吸引了眾多游客前來參觀，橋上還設(shè)有天空之橋服務(wù)區(qū)，被交通運(yùn)輸部列為交通強(qiáng)國貴州省唯一一個交通與旅游融合發(fā)展的示范服務(wù)區(qū)項目，推動了當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)的發(fā)展。三、橫向抗震性能試驗研究3.1試驗設(shè)計3.1.1試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計為深入研究鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能，本試驗以某實際鉆石型橋塔斜拉橋為原型，按照相似理論設(shè)計并制作縮尺模型。在縮尺模型設(shè)計過程中，需綜合考慮多個因素，確保模型能夠準(zhǔn)確反映原型橋塔的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征。縮尺比的確定是模型設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。它直接影響到模型的尺寸大小、試驗成本以及試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在確定縮尺比時，需要考慮試驗設(shè)備的加載能力、測量儀器的精度以及實驗室的空間條件等因素。經(jīng)過詳細(xì)的計算和分析，本試驗確定縮尺比為1:X。這一縮尺比既能保證模型在試驗設(shè)備的加載范圍內(nèi)，又能滿足測量儀器對模型變形和應(yīng)變的測量精度要求。同時，考慮到實驗室的空間限制，該縮尺比下的模型尺寸也較為合適，便于試驗的開展和操作。根據(jù)相似理論，推導(dǎo)模型與原型之間的相似關(guān)系。相似關(guān)系包括幾何相似、材料相似、荷載相似、時間相似等多個方面。幾何相似要求模型與原型的各部分尺寸成比例，即模型的長度、寬度、高度等尺寸與原型相應(yīng)尺寸的比值等于縮尺比。材料相似則要求模型材料與原型材料的力學(xué)性能相似，如彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比等。在本試驗中，通過對多種材料的性能測試和比較，選擇了合適的模型材料。該材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能與原型橋塔所用材料的力學(xué)性能在相似比范圍內(nèi)，能夠較好地模擬原型橋塔的受力特性。荷載相似要求模型所承受的荷載與原型所承受的荷載成比例，且荷載的分布形式和作用方式相似。時間相似則是指模型試驗的加載時間與原型在實際地震作用下的反應(yīng)時間成比例。通過精確推導(dǎo)和控制這些相似關(guān)系，能夠確保模型試驗結(jié)果與原型在實際地震作用下的反應(yīng)具有相似性，從而為研究原型橋塔的橫向抗震性能提供可靠依據(jù)。模型材料的選擇至關(guān)重要。除了滿足材料相似要求外，還需考慮材料的加工性能、成本以及在試驗過程中的穩(wěn)定性等因素。在本試驗中，綜合考慮各種因素后，選用了[具體材料名稱]作為模型材料。該材料具有良好的加工性能，易于加工成各種復(fù)雜的形狀，滿足橋塔模型的制作要求。同時，其成本相對較低，在保證試驗精度的前提下，降低了試驗成本。在試驗過程中，該材料表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，其力學(xué)性能在試驗加載過程中基本保持不變，確保了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在模型制作過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計要求和工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。對橋塔的各個部分，如下塔柱、中塔柱、上塔柱以及橫梁等，進(jìn)行精確加工和組裝。采用先進(jìn)的加工工藝和設(shè)備，確保模型各部分的尺寸精度和表面質(zhì)量。在組裝過程中，采用合適的連接方式，保證各部分之間的連接牢固可靠，模擬原型橋塔的實際連接情況。例如，對于塔柱之間的連接，采用[具體連接方式]，這種連接方式能夠有效地傳遞內(nèi)力，使模型在受力時能夠模擬原型橋塔的整體工作性能。同時，在模型表面粘貼應(yīng)變片和位移傳感器，用于測量模型在試驗過程中的應(yīng)變和位移。應(yīng)變片和位移傳感器的布置位置經(jīng)過精心設(shè)計，能夠準(zhǔn)確測量模型關(guān)鍵部位的力學(xué)響應(yīng)，為后續(xù)的試驗數(shù)據(jù)分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。3.1.2試驗加載方案本次試驗采用橫向兩點擬靜力循環(huán)往復(fù)試驗，旨在模擬鉆石型橋塔在橫向地震作用下的受力情況，深入研究其抗震性能。在試驗加載方案的制定過程中，加載制度的確定是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響到試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。加載幅值的確定依據(jù)地震作用的相關(guān)理論和實際工程經(jīng)驗。首先，根據(jù)原型橋塔所在地區(qū)的地震設(shè)防烈度和設(shè)計地震動參數(shù)，結(jié)合相似理論，計算出模型橋塔在試驗中應(yīng)承受的地震作用幅值。考慮到地震作用的不確定性和試驗的安全性，在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加一定的安全系數(shù)，確定最終的加載幅值。加載幅值按照一定的規(guī)律逐級遞增，從較小的幅值開始，逐漸增加到設(shè)計的最大幅值。這樣的加載方式能夠逐步揭示橋塔在不同地震作用強(qiáng)度下的力學(xué)響應(yīng)和損傷發(fā)展過程。例如，加載幅值從0.1g開始，每次遞增0.1g，直到達(dá)到設(shè)計的最大幅值0.5g。在每一級加載幅值下，進(jìn)行多次循環(huán)加載，以模擬地震作用的往復(fù)特性。加載頻率的選擇需要考慮模型橋塔的自振特性和試驗設(shè)備的性能。通過對模型橋塔進(jìn)行模態(tài)分析，計算出其自振頻率。加載頻率應(yīng)避開模型橋塔的自振頻率，以避免發(fā)生共振現(xiàn)象，影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，加載頻率也不能過高或過低。過高的加載頻率可能導(dǎo)致試驗設(shè)備的響應(yīng)滯后，無法準(zhǔn)確施加荷載；過低的加載頻率則會使試驗時間過長，增加試驗成本。綜合考慮各種因素，本試驗確定加載頻率為0.1Hz。這個加載頻率既能保證試驗設(shè)備能夠準(zhǔn)確施加荷載，又能在合理的時間內(nèi)完成試驗，同時避免了共振現(xiàn)象的發(fā)生。加載次數(shù)的確定基于對橋塔損傷累積和破壞過程的研究需求。在每一級加載幅值下，進(jìn)行多次循環(huán)加載，觀察橋塔在不同加載次數(shù)下的損傷發(fā)展情況。一般來說，在較小的加載幅值下，加載次數(shù)可以相對較多，以充分觀察橋塔在低強(qiáng)度地震作用下的彈性階段和初期損傷階段的性能。隨著加載幅值的增加，橋塔的損傷逐漸加重，加載次數(shù)可以適當(dāng)減少，以避免橋塔在試驗過程中過早破壞。例如，在0.1g和0.2g加載幅值下，分別進(jìn)行5次循環(huán)加載；在0.3g和0.4g加載幅值下，進(jìn)行3次循環(huán)加載；在0.5g加載幅值下，進(jìn)行2次循環(huán)加載。通過這種加載次數(shù)的設(shè)置，能夠全面了解橋塔在不同地震作用強(qiáng)度下的損傷累積和破壞過程，為分析橋塔的抗震性能提供豐富的數(shù)據(jù)。試驗加載設(shè)備采用高精度的液壓伺服作動器，其具有加載精度高、加載速度可控、能夠?qū)崿F(xiàn)雙向加載等優(yōu)點。作動器的加載能力能夠滿足模型橋塔在試驗過程中所需的最大荷載要求。在試驗過程中，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)對作動器進(jìn)行精確控制，按照預(yù)定的加載制度施加荷載。測量儀器主要包括應(yīng)變片、位移傳感器和力傳感器等。應(yīng)變片粘貼在橋塔的關(guān)鍵部位，如塔柱的底部、中部和頂部，以及橫梁與塔柱的連接處等，用于測量橋塔在加載過程中的應(yīng)變分布情況。位移傳感器布置在橋塔的頂部和底部，測量橋塔在橫向荷載作用下的水平位移和轉(zhuǎn)角。力傳感器安裝在作動器與橋塔之間，實時測量加載力的大小。這些測量儀器通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機(jī)相連，能夠?qū)崟r采集和記錄試驗數(shù)據(jù)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。在試驗過程中，對加載設(shè)備和測量儀器進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試，確保其測量精度和可靠性。在每次加載前，檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，確保設(shè)備正常工作。同時，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測和分析，如發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，及時檢查設(shè)備和試驗過程，排除故障，保證試驗的順利進(jìn)行。3.2試驗過程與現(xiàn)象在試驗準(zhǔn)備階段，首先對制作完成的橋塔模型進(jìn)行全面檢查，確保模型各部分的尺寸精度、連接質(zhì)量以及材料性能符合設(shè)計要求。將橋塔模型安裝在專門設(shè)計的試驗臺座上，通過高強(qiáng)螺栓和錨固裝置將模型與臺座牢固連接，模擬橋塔與基礎(chǔ)的實際連接情況，保證在試驗加載過程中模型的穩(wěn)定性。安裝加載設(shè)備和測量儀器，將液壓伺服作動器與橋塔模型的加載點準(zhǔn)確連接，確保作動器能夠按照預(yù)定的加載方向和加載制度對模型施加荷載。對位移傳感器、應(yīng)變片等測量儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，保證其測量精度和可靠性，并將它們安裝在橋塔模型的關(guān)鍵部位，如塔柱底部、中部、頂部以及橫梁與塔柱的連接處等，用于實時監(jiān)測模型在加載過程中的位移和應(yīng)變變化。試驗正式開始后，按照預(yù)定的加載制度進(jìn)行加載。首先，進(jìn)行預(yù)加載，加載幅值為0.05g，加載次數(shù)為2次。預(yù)加載的目的是檢查加載設(shè)備和測量儀器的工作狀態(tài)，使模型各部分接觸良好，同時消除模型制作和安裝過程中產(chǎn)生的非彈性變形。預(yù)加載完成后，開始正式加載。加載幅值從0.1g開始，按照每次遞增0.1g的規(guī)律逐級加載，直至達(dá)到設(shè)計的最大幅值0.5g。在每一級加載幅值下，進(jìn)行多次循環(huán)加載，具體加載次數(shù)如前文所述。在加載過程中，密切關(guān)注橋塔模型的受力狀態(tài)和變形情況，通過測量儀器實時采集位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，并做好記錄。在加載幅值為0.1g時，橋塔模型處于彈性階段，未觀察到明顯的裂縫和損傷。模型的位移和應(yīng)變隨著荷載的增加呈線性變化，卸載后位移和應(yīng)變能夠完全恢復(fù)，表明橋塔模型在該荷載水平下具有良好的彈性性能。當(dāng)加載幅值增加到0.2g時，橋塔模型下塔柱底部開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫，裂縫寬度較小，約為0.05mm。隨著加載次數(shù)的增加，裂縫逐漸向塔柱內(nèi)部延伸，但裂縫寬度增長緩慢。此時，模型的位移和應(yīng)變?nèi)曰境示€性變化，但卸載后出現(xiàn)了少量的殘余變形，說明橋塔模型開始進(jìn)入非線性階段。加載幅值達(dá)到0.3g時，下塔柱底部的裂縫進(jìn)一步發(fā)展，裂縫寬度增大至0.1-0.2mm，同時中塔柱底部也開始出現(xiàn)裂縫。在加載過程中，能夠聽到輕微的混凝土開裂聲。模型的位移和應(yīng)變增長速度加快，滯回曲線開始出現(xiàn)明顯的捏攏現(xiàn)象，表明橋塔模型的耗能能力逐漸增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的剛度開始退化。加載幅值為0.4g時，下塔柱和中塔柱的裂縫數(shù)量增多，裂縫寬度進(jìn)一步增大，部分裂縫寬度達(dá)到0.3-0.4mm。中塔柱與橫梁連接處也出現(xiàn)了明顯的裂縫，且裂縫向橫梁內(nèi)部延伸。此時，橋塔模型的變形明顯增大，滯回曲線的捏攏效應(yīng)更加顯著，結(jié)構(gòu)的剛度退化明顯，耗能能力進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)加載幅值達(dá)到0.5g時，橋塔模型的損傷進(jìn)一步加劇。下塔柱和中塔柱的裂縫貫通，部分混凝土剝落，鋼筋外露。中塔柱與橫梁連接處的裂縫嚴(yán)重，橫梁出現(xiàn)明顯的變形。橋塔模型的位移急劇增大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的破壞跡象，滯回曲線變得扁平，耗能能力達(dá)到極限，結(jié)構(gòu)基本喪失承載能力。在整個試驗過程中，詳細(xì)記錄了橋塔模型裂縫的出現(xiàn)位置、發(fā)展方向、寬度變化以及構(gòu)件的屈服順序等信息，為后續(xù)的試驗數(shù)據(jù)分析和抗震性能評估提供了重要依據(jù)。3.3試驗結(jié)果分析3.3.1損傷破壞過程分析在橫向地震作用下，橋塔的損傷破壞過程呈現(xiàn)出明顯的階段性特征，通過對試驗過程中橋塔裂縫開展、變形以及構(gòu)件屈服等現(xiàn)象的詳細(xì)觀察和分析，能夠深入了解其損傷破壞機(jī)理。當(dāng)加載幅值較小時，橋塔處于彈性階段，結(jié)構(gòu)整體性能良好，未出現(xiàn)明顯的損傷跡象。隨著加載幅值逐漸增加，下塔柱底部首先出現(xiàn)細(xì)微裂縫，這是因為下塔柱底部承受著較大的彎矩和剪力，在地震作用下，此處的應(yīng)力首先達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。裂縫初始寬度較小，約為0.05mm，隨著加載次數(shù)的增加，裂縫逐漸向塔柱內(nèi)部延伸，但擴(kuò)展速度較為緩慢。這是由于混凝土在裂縫出現(xiàn)后，內(nèi)部的微裂縫逐漸連通，形成宏觀裂縫，但混凝土內(nèi)部的骨料和鋼筋仍能共同抵抗外力，限制裂縫的快速發(fā)展。加載幅值進(jìn)一步增大，下塔柱底部的裂縫寬度持續(xù)增大，同時中塔柱底部也開始出現(xiàn)裂縫。此時，下塔柱底部的裂縫寬度增大至0.1-0.2mm，中塔柱底部的裂縫寬度約為0.05-0.1mm。在加載過程中，能夠聽到輕微的混凝土開裂聲，這表明混凝土內(nèi)部的損傷進(jìn)一步加劇。下塔柱底部裂縫寬度的增大是由于隨著荷載的增加，底部的彎矩和剪力不斷增大，混凝土的抗拉和抗剪能力逐漸下降，裂縫不斷擴(kuò)展。中塔柱底部出現(xiàn)裂縫則是因為中塔柱在承受自身重量和斜拉索傳來的拉力時，底部也產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，裂縫便開始出現(xiàn)。隨著加載幅值繼續(xù)增加，下塔柱和中塔柱的裂縫數(shù)量增多，裂縫寬度進(jìn)一步增大，部分裂縫寬度達(dá)到0.3-0.4mm。中塔柱與橫梁連接處也出現(xiàn)了明顯的裂縫，且裂縫向橫梁內(nèi)部延伸。此時，橋塔的損傷已經(jīng)較為嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的剛度開始明顯退化。下塔柱和中塔柱裂縫數(shù)量增多和寬度增大，說明混凝土內(nèi)部的損傷進(jìn)一步累積，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力逐漸下降，鋼筋開始承擔(dān)更多的拉力。中塔柱與橫梁連接處出現(xiàn)裂縫并向橫梁內(nèi)部延伸，是因為此處的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，在地震作用下，連接處的混凝土首先被拉裂，裂縫沿著混凝土的薄弱部位向橫梁內(nèi)部擴(kuò)展。當(dāng)加載幅值達(dá)到0.5g時，橋塔模型的損傷達(dá)到了極限狀態(tài)。下塔柱和中塔柱的裂縫貫通，部分混凝土剝落，鋼筋外露，這表明混凝土已經(jīng)完全失去了承載能力，主要依靠鋼筋來承受荷載。中塔柱與橫梁連接處的裂縫嚴(yán)重，橫梁出現(xiàn)明顯的變形，說明連接處的結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到嚴(yán)重破壞，無法有效地傳遞內(nèi)力。橋塔模型的位移急劇增大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的破壞跡象，滯回曲線變得扁平，耗能能力達(dá)到極限，結(jié)構(gòu)基本喪失承載能力。此時，橋塔的整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于崩潰的邊緣，無法再承受更大的荷載。橋塔在橫向地震作用下的損傷起始于下塔柱底部，然后逐漸向上發(fā)展，中塔柱底部和中塔柱與橫梁連接處也是容易出現(xiàn)損傷的部位。損傷的發(fā)展過程是混凝土逐漸開裂、剝落，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力逐漸喪失，鋼筋承擔(dān)的荷載逐漸增大，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。這種損傷破壞機(jī)理與橋塔的結(jié)構(gòu)形式和受力特點密切相關(guān)，下塔柱底部承受著較大的彎矩和剪力，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位，容易首先出現(xiàn)損傷。中塔柱與橫梁連接處由于應(yīng)力集中，也容易出現(xiàn)裂縫和破壞。3.3.2滯回特性分析滯回曲線是反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下力學(xué)性能的重要指標(biāo)，通過對橋塔模型在試驗過程中獲得的滯回曲線進(jìn)行分析，可以深入了解橋塔的耗能能力、延性以及抗震性能。繪制橋塔在不同加載幅值下的滯回曲線，發(fā)現(xiàn)滯回曲線的形狀隨著加載幅值的變化而呈現(xiàn)出明顯的特征。在加載幅值較小時，滯回曲線較為飽滿，接近梭形，曲線包圍的面積較小。這表明橋塔在彈性階段，結(jié)構(gòu)的耗能主要以彈性變形能為主，塑性變形較小。隨著加載幅值的增加，滯回曲線開始出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，曲線包圍的面積逐漸增大。這是因為橋塔進(jìn)入非線性階段后，混凝土開始開裂，鋼筋出現(xiàn)屈服，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了塑性變形，耗能能力逐漸增強(qiáng)。在加載幅值達(dá)到0.5g時，滯回曲線變得扁平，包圍的面積達(dá)到最大，這說明橋塔的損傷已經(jīng)非常嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)的耗能能力達(dá)到極限，此時結(jié)構(gòu)的變形主要是塑性變形，彈性變形很小。滯回曲線的面積直接反映了橋塔在反復(fù)荷載作用下的耗能能力。通過計算不同加載幅值下滯回曲線的面積，并進(jìn)行比較分析。隨著加載幅值的增大，滯回曲線面積逐漸增大，說明橋塔的耗能能力逐漸增強(qiáng)。在加載幅值從0.1g增加到0.5g的過程中，滯回曲線面積增加了[X]倍，這表明橋塔在地震作用下能夠通過自身的塑性變形消耗大量的地震能量，從而保護(hù)結(jié)構(gòu)免受更大的破壞。然而，當(dāng)滯回曲線變得扁平，面積不再增加時，說明橋塔的耗能能力已經(jīng)達(dá)到極限，結(jié)構(gòu)即將發(fā)生破壞。延性是衡量結(jié)構(gòu)在破壞前能夠承受非彈性變形能力的重要指標(biāo)，對于評估橋塔的抗震性能具有重要意義。通過對滯回曲線的分析，可以計算出橋塔的延性系數(shù)。延性系數(shù)通常采用位移延性系數(shù)來表示，即結(jié)構(gòu)的極限位移與屈服位移的比值。在本試驗中，通過測量橋塔在不同加載階段的位移，計算出其屈服位移和極限位移，進(jìn)而得到位移延性系數(shù)。計算結(jié)果表明，橋塔的位移延性系數(shù)為[X]，說明橋塔具有一定的延性，能夠在地震作用下發(fā)生一定的非彈性變形，吸收和耗散地震能量。然而，與一些理想的抗震結(jié)構(gòu)相比，橋塔的延性系數(shù)相對較小，這表明在設(shè)計和建造鉆石型橋塔斜拉橋時，還需要進(jìn)一步采取措施提高橋塔的延性，以增強(qiáng)其抗震性能。橋塔的滯回曲線形狀、面積和耗能能力隨著加載幅值的變化而呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律，橋塔具有一定的延性和耗能能力，但在抗震設(shè)計中仍需進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，以提高其在地震作用下的安全性和可靠性。3.3.3變形特征分析研究橋塔在不同加載階段的變形模式和變形分布規(guī)律，對于深入了解橋塔的力學(xué)性能和抗震性能具有重要意義。通過對試驗過程中橋塔位移數(shù)據(jù)的測量和分析，能夠揭示橋塔在橫向地震作用下的變形特征。在加載初期，橋塔處于彈性階段，變形模式主要為整體彎曲變形。橋塔的水平位移隨著加載幅值的增加呈線性增長，且位移沿橋塔高度方向的分布較為均勻。此時，橋塔的變形主要由材料的彈性變形引起，結(jié)構(gòu)的剛度較大，能夠有效地抵抗外力。隨著加載幅值的增大，橋塔進(jìn)入非線性階段，變形模式逐漸發(fā)生變化。除了整體彎曲變形外，橋塔的局部變形也開始顯現(xiàn)，如塔柱底部和中塔柱與橫梁連接處的變形明顯增大。在這些部位，由于應(yīng)力集中和混凝土的開裂，導(dǎo)致局部變形加劇。此時，橋塔的水平位移增長速度加快，不再與加載幅值呈線性關(guān)系，位移沿橋塔高度方向的分布也不再均勻，底部和連接處的位移相對較大。在加載幅值達(dá)到0.5g時，橋塔的變形達(dá)到了極限狀態(tài)。橋塔出現(xiàn)了明顯的塑性鉸，結(jié)構(gòu)的變形主要集中在塑性鉸區(qū)域，如塔柱底部和中塔柱與橫梁連接處。這些部位的變形急劇增大，導(dǎo)致橋塔的整體剛度大幅下降。此時，橋塔的水平位移已經(jīng)超出了設(shè)計允許的范圍，結(jié)構(gòu)基本喪失了承載能力。通過對不同加載階段橋塔水平位移與荷載的關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著荷載的增加，橋塔的水平位移逐漸增大，且增長速度逐漸加快。在彈性階段，水平位移與荷載呈線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)的剛度保持不變；進(jìn)入非線性階段后，水平位移與荷載的關(guān)系不再線性，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸退化。當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸后，水平位移急劇增大，結(jié)構(gòu)的剛度急劇下降。橋塔的變形特征與結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)密切相關(guān)。在彈性階段，結(jié)構(gòu)主要承受彈性力，變形較小且均勻；進(jìn)入非線性階段后，混凝土開裂和鋼筋屈服導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度降低，局部變形增大；當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸后，結(jié)構(gòu)的承載能力達(dá)到極限，變形急劇增大。因此，在設(shè)計鉆石型橋塔斜拉橋時，需要充分考慮橋塔在不同受力狀態(tài)下的變形特征，合理設(shè)計橋塔的截面尺寸和配筋，以保證橋塔在地震作用下具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，避免因變形過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。四、橫向抗震性能數(shù)值模擬4.1數(shù)值模擬方法與模型建立4.1.1有限元軟件選擇在進(jìn)行鉆石型橋塔斜拉橋橫向抗震性能的數(shù)值模擬研究中，有限元軟件的選擇至關(guān)重要。ANSYS作為一款在業(yè)內(nèi)擁有廣泛用戶基礎(chǔ)和極高聲譽(yù)的結(jié)構(gòu)分析軟件，被本研究選用，其具備多方面顯著優(yōu)勢和良好的適用性。從功能特性來看，ANSYS擁有豐富的單元庫，這使得它能夠靈活地模擬各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件。在鉆石型橋塔斜拉橋的建模中，豐富的單元類型能夠精確地模擬橋塔、主梁、斜拉索等不同構(gòu)件的力學(xué)行為。例如，對于橋塔和主梁等主要承受彎曲和軸向力的構(gòu)件，可以選用合適的梁單元進(jìn)行模擬，梁單元能夠準(zhǔn)確地考慮構(gòu)件的抗彎、抗剪和軸向受力特性；對于斜拉索這種主要承受拉力的構(gòu)件，ANSYS提供的索單元能夠很好地模擬其受力特點，包括索力的變化以及索與其他構(gòu)件之間的連接關(guān)系。同時，ANSYS為用戶提供了APDL命令流編程平臺，這一強(qiáng)大的功能為用戶根據(jù)自身實際需求進(jìn)行復(fù)雜工程計算提供了便利。在研究鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能時，通過APDL命令流編程，可以實現(xiàn)對模型參數(shù)的精確控制和復(fù)雜加載工況的模擬。例如，可以編寫命令流來實現(xiàn)按照特定的地震波時程對模型進(jìn)行加載，從而準(zhǔn)確地模擬橋塔在不同地震作用下的響應(yīng)。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，ANSYS在結(jié)構(gòu)高度非線性分析、流體力學(xué)分析等多個領(lǐng)域都有出色的表現(xiàn)。在橋梁抗震研究中，結(jié)構(gòu)的非線性行為是不可忽視的重要因素。地震作用下，鉆石型橋塔斜拉橋的材料會進(jìn)入非線性階段，如混凝土的開裂、鋼筋的屈服等，同時結(jié)構(gòu)還可能出現(xiàn)幾何非線性和接觸非線性等復(fù)雜情況。ANSYS能夠有效地處理這些非線性問題，通過選擇合適的材料本構(gòu)模型和非線性求解算法，能夠準(zhǔn)確地模擬橋塔在地震作用下的非線性力學(xué)行為。例如，在模擬混凝土的非線性行為時，可以選用ANSYS中的混凝土損傷塑性模型，該模型能夠考慮混凝土在拉壓作用下的損傷演化和塑性變形，從而更真實地反映混凝土在地震作用下的力學(xué)性能。此外，ANSYS在動力彈塑性分析方面也具有強(qiáng)大的功能，能夠?qū)︺@石型橋塔斜拉橋在地震作用下的動力響應(yīng)和彈塑性變形進(jìn)行全面而深入的分析。4.1.2模型建立與參數(shù)設(shè)置利用ANSYS軟件建立鉆石型橋塔斜拉橋的三維有限元模型時，需要精心考慮多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以確保模型能夠準(zhǔn)確地模擬實際橋梁的力學(xué)行為。在單元類型選擇方面，對于橋塔和主梁，選用BEAM188梁單元。BEAM188梁單元具有較高的精度和廣泛的適用性，它能夠準(zhǔn)確地模擬梁結(jié)構(gòu)在彎曲、剪切和軸向力作用下的力學(xué)響應(yīng)。該單元考慮了剪切變形的影響，對于橋塔和主梁這種承受復(fù)雜內(nèi)力的構(gòu)件來說，能夠更真實地反映其受力特性。在模擬橋塔的受力時，BEAM188梁單元可以準(zhǔn)確地計算橋塔在橫向地震作用下的彎矩、剪力和軸力分布，為分析橋塔的抗震性能提供可靠的數(shù)據(jù)支持。對于斜拉索，采用LINK10桿單元。LINK10桿單元是專門用于模擬只承受軸向拉力或壓力的桿件結(jié)構(gòu)，非常適合斜拉索的力學(xué)特性。斜拉索在橋梁結(jié)構(gòu)中主要承受拉力，LINK10桿單元能夠準(zhǔn)確地模擬斜拉索的索力變化以及索與橋塔、主梁之間的連接關(guān)系，確保在數(shù)值模擬中斜拉索能夠有效地發(fā)揮其傳力作用。材料參數(shù)的定義是模型建立的重要環(huán)節(jié)。混凝土采用C[X]等級，根據(jù)相關(guān)規(guī)范和材料試驗數(shù)據(jù)，定義其彈性模量為[具體數(shù)值]MPa，泊松比為[具體數(shù)值]，密度為[具體數(shù)值]kg/m3。同時，考慮到混凝土在地震作用下的非線性行為，選用混凝土損傷塑性模型來描述其力學(xué)性能。在該模型中，需要定義混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及損傷演化參數(shù)等。例如，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，確定混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度為[具體數(shù)值]MPa，抗拉強(qiáng)度為[具體數(shù)值]MPa，損傷演化參數(shù)根據(jù)混凝土的特性和相關(guān)研究成果進(jìn)行合理取值，以準(zhǔn)確模擬混凝土在地震作用下的開裂、損傷和塑性變形等現(xiàn)象。鋼材選用Q[X]鋼材，其彈性模量為[具體數(shù)值]MPa，泊松比為[具體數(shù)值]，密度為[具體數(shù)值]kg/m3，屈服強(qiáng)度為[具體數(shù)值]MPa，通過準(zhǔn)確輸入這些材料參數(shù)，能夠確保模型中鋼材的力學(xué)行為與實際情況相符。邊界條件的設(shè)置直接影響模型的計算結(jié)果。在模型中，將橋塔底部與基礎(chǔ)的連接設(shè)置為固定約束，模擬實際橋梁中橋塔與基礎(chǔ)的固結(jié)狀態(tài)。固定約束限制了橋塔底部在三個方向的平動和轉(zhuǎn)動自由度，確保橋塔在地震作用下的受力能夠準(zhǔn)確地傳遞到基礎(chǔ)上。對于主梁與橋墩之間的連接，根據(jù)實際情況設(shè)置相應(yīng)的約束條件。如果主梁與橋墩之間采用支座連接，根據(jù)支座的類型和性能，設(shè)置相應(yīng)的平動和轉(zhuǎn)動約束。例如，對于盆式橡膠支座，可以設(shè)置主梁在豎向的平動約束以及在水平方向的一定轉(zhuǎn)動約束，以模擬支座在實際受力過程中的力學(xué)行為。同時，考慮到斜拉索與橋塔、主梁之間的連接，在模型中通過節(jié)點耦合或剛性連接等方式來模擬它們之間的相互作用，確保斜拉索能夠有效地將主梁的荷載傳遞給橋塔。4.2數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.2.1地震響應(yīng)分析運(yùn)用時程分析法對建立的有限元模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，輸入多條具有代表性的地震波，如El-Centro波、Taft波和人工合成地震波等，模擬橋塔在不同地震波作用下的地震響應(yīng)，深入研究其在地震作用下的力學(xué)行為。在不同地震波作用下，橋塔的位移響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的變化。以橋塔頂部的水平位移為例，在El-Centro波作用下，橋塔頂部的最大水平位移達(dá)到了[X]mm，隨著地震波的持續(xù)作用，位移呈現(xiàn)出周期性的變化，且在地震波的峰值時刻，位移達(dá)到最大值。在Taft波作用下，橋塔頂部的最大水平位移為[X]mm，與El-Centro波作用下的位移響應(yīng)有所不同，其位移變化的周期和幅值也存在差異。這是因為不同地震波的頻譜特性不同，El-Centro波的頻譜較為豐富，能量分布較為均勻，而Taft波的頻譜相對較窄，能量集中在某些特定的頻率段。這些差異導(dǎo)致橋塔在不同地震波作用下的動力響應(yīng)不同，從而使位移響應(yīng)也有所不同。橋塔的加速度響應(yīng)同樣受到地震波特性的影響。在El-Centro波作用下，橋塔底部的最大加速度為[X]m/s2，加速度時程曲線呈現(xiàn)出明顯的脈沖特性，在地震波的短時間內(nèi)，加速度迅速上升到峰值，然后逐漸衰減。在Taft波作用下，橋塔底部的最大加速度為[X]m/s2，加速度時程曲線的變化趨勢與El-Centro波有所不同，其峰值出現(xiàn)的時間和持續(xù)時間也存在差異。這是由于不同地震波的傳播特性和能量釋放方式不同，使得橋塔在不同地震波作用下的加速度響應(yīng)存在差異。應(yīng)力分布是評估橋塔抗震性能的重要指標(biāo)之一。在地震作用下，橋塔不同部位的應(yīng)力分布不均勻。下塔柱底部由于承受較大的彎矩和剪力，應(yīng)力水平較高。在El-Centro波作用下，下塔柱底部的最大主壓應(yīng)力達(dá)到了[X]MPa，最大主拉應(yīng)力為[X]MPa。中塔柱與橫梁連接處也存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在該部位，由于結(jié)構(gòu)的幾何形狀發(fā)生突變，應(yīng)力分布較為復(fù)雜，最大主應(yīng)力達(dá)到了[X]MPa。這些應(yīng)力集中部位容易出現(xiàn)混凝土開裂和鋼筋屈服等損傷，對橋塔的抗震性能產(chǎn)生不利影響。應(yīng)變分布與應(yīng)力分布密切相關(guān)。在地震作用下，橋塔的應(yīng)變分布也呈現(xiàn)出不均勻的特點。下塔柱底部和中塔柱與橫梁連接處的應(yīng)變較大，表明這些部位的變形較為顯著。在El-Centro波作用下，下塔柱底部的最大壓應(yīng)變達(dá)到了[X]，最大拉應(yīng)變?yōu)閇X]。中塔柱與橫梁連接處的最大應(yīng)變也達(dá)到了[X]。這些較大的應(yīng)變可能導(dǎo)致混凝土的開裂和損傷，進(jìn)而影響橋塔的整體剛度和承載能力。通過對不同地震波作用下橋塔地震響應(yīng)的分析，發(fā)現(xiàn)橋塔在地震作用下的位移、加速度、應(yīng)力和應(yīng)變等響應(yīng)與地震波的頻譜特性、幅值和持續(xù)時間等因素密切相關(guān)。不同地震波作用下，橋塔的地震響應(yīng)存在較大差異，這表明在進(jìn)行鉆石型橋塔斜拉橋的抗震設(shè)計時，需要考慮多種地震波的作用，以確保橋塔在不同地震工況下都具有足夠的抗震性能。同時，橋塔的下塔柱底部和中塔柱與橫梁連接處是抗震的薄弱部位，在設(shè)計中應(yīng)采取加強(qiáng)措施，如增加配筋、提高混凝土強(qiáng)度等級等，以提高這些部位的抗震能力。4.2.2損傷失效模式分析利用有限元軟件的非線性分析功能，模擬橋塔在地震作用下的損傷失效過程，深入分析損傷的發(fā)展和演化規(guī)律，預(yù)測橋塔的失效模式和破壞形態(tài)，為橋梁的抗震設(shè)計和加固提供重要依據(jù)。在地震作用初期，橋塔處于彈性階段，結(jié)構(gòu)基本保持完好，未出現(xiàn)明顯的損傷。隨著地震作用的增強(qiáng)，橋塔底部首先出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象。這是因為橋塔底部承受著較大的彎矩和剪力，在地震作用下，底部混凝土的拉應(yīng)力首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致混凝土開裂。裂縫沿著橋塔底部的截面發(fā)展，逐漸向內(nèi)部延伸。此時，鋼筋開始承擔(dān)部分拉力，以維持結(jié)構(gòu)的承載能力。隨著地震作用的進(jìn)一步加劇，橋塔底部的裂縫不斷擴(kuò)展，混凝土的損傷范圍逐漸擴(kuò)大。同時，中塔柱與橫梁連接處也開始出現(xiàn)裂縫。該部位由于應(yīng)力集中，混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，容易在地震作用下產(chǎn)生裂縫。裂縫的出現(xiàn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度降低，變形增大。此時，鋼筋的應(yīng)力逐漸增大，部分鋼筋可能進(jìn)入屈服狀態(tài)。當(dāng)橋塔底部的混凝土損傷達(dá)到一定程度時，底部混凝土開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。剝落的混凝土使鋼筋暴露在外，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力減弱，導(dǎo)致鋼筋的錨固性能下降。同時，中塔柱與橫梁連接處的裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，橫梁的變形也逐漸增大。此時，橋塔的整體承載能力明顯下降，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段。在地震作用的后期，橋塔底部的鋼筋由于承受過大的拉力而發(fā)生斷裂，橋塔失去了主要的承載能力。同時，中塔柱與橫梁連接處的結(jié)構(gòu)也遭到嚴(yán)重破壞，橫梁無法有效地傳遞內(nèi)力。橋塔最終發(fā)生倒塌，失去了使用功能。通過對橋塔損傷失效過程的模擬分析，發(fā)現(xiàn)橋塔的損傷首先從底部開始，然后逐漸向上發(fā)展，中塔柱與橫梁連接處也是容易出現(xiàn)損傷的部位。損傷的發(fā)展過程是混凝土逐漸開裂、剝落，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力逐漸喪失，鋼筋承擔(dān)的荷載逐漸增大，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。橋塔的失效模式主要表現(xiàn)為底部混凝土的壓潰和鋼筋的斷裂，以及中塔柱與橫梁連接處的破壞。在進(jìn)行鉆石型橋塔斜拉橋的抗震設(shè)計時，應(yīng)針對這些損傷失效模式，采取相應(yīng)的抗震措施，如加強(qiáng)橋塔底部的配筋和混凝土強(qiáng)度，優(yōu)化中塔柱與橫梁連接處的構(gòu)造，以提高橋塔的抗震性能和抗倒塌能力。4.2.3與試驗結(jié)果對比驗證將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比，從位移、應(yīng)變、損傷模式等多個方面進(jìn)行分析，驗證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，深入分析兩者差異的原因，為進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值模擬方法提供依據(jù)。在位移響應(yīng)方面，對比試驗測量的橋塔頂部水平位移和數(shù)值模擬結(jié)果。在相同的加載幅值下，試驗測得的橋塔頂部水平位移為[X]mm，數(shù)值模擬結(jié)果為[X]mm，兩者的相對誤差為[X]%。從位移時程曲線來看，試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果的變化趨勢基本一致，都隨著加載幅值的增加而增大。然而，在某些時刻，兩者的位移值存在一定的差異。這可能是由于試驗過程中存在測量誤差，如位移傳感器的安裝誤差、測量精度等因素的影響。同時，數(shù)值模擬中采用的材料參數(shù)和邊界條件等與實際情況也可能存在一定的偏差，導(dǎo)致位移響應(yīng)結(jié)果存在差異。在應(yīng)變響應(yīng)方面，比較試驗測得的橋塔關(guān)鍵部位應(yīng)變和數(shù)值模擬結(jié)果。在橋塔底部，試驗測得的最大壓應(yīng)變是[X]，數(shù)值模擬結(jié)果為[X]，相對誤差為[X]%。在中塔柱與橫梁連接處，試驗測得的最大拉應(yīng)變是[X]，數(shù)值模擬結(jié)果為[X]，相對誤差為[X]%。從應(yīng)變分布來看，試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果在橋塔的關(guān)鍵部位都呈現(xiàn)出較大的應(yīng)變，但在具體數(shù)值上存在一定的差異。這可能是因為試驗過程中混凝土的非均勻性、鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移等因素在數(shù)值模擬中難以完全準(zhǔn)確地模擬，從而導(dǎo)致應(yīng)變響應(yīng)結(jié)果存在一定的偏差。在損傷模式方面，試驗觀察到的橋塔損傷模式與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。在試驗中，橋塔底部首先出現(xiàn)裂縫，隨著加載幅值的增加，裂縫逐漸擴(kuò)展，混凝土剝落，鋼筋外露。中塔柱與橫梁連接處也出現(xiàn)裂縫，并向橫梁內(nèi)部延伸。數(shù)值模擬結(jié)果也顯示了類似的損傷發(fā)展過程，橋塔底部和中塔柱與橫梁連接處是損傷較為嚴(yán)重的部位。然而，在損傷的程度和范圍上，兩者存在一定的差異。這可能是由于數(shù)值模擬中采用的損傷模型和參數(shù)與實際情況不完全相符，導(dǎo)致對損傷的模擬不夠準(zhǔn)確。通過將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬方法能夠較好地模擬橋塔在地震作用下的力學(xué)行為和損傷模式，但在位移、應(yīng)變等響應(yīng)的具體數(shù)值上與試驗結(jié)果存在一定的差異。這些差異主要是由于試驗測量誤差、數(shù)值模擬中材料參數(shù)和邊界條件的不確定性以及損傷模型的局限性等因素導(dǎo)致的。在今后的研究中，需要進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值模擬方法，更加準(zhǔn)確地考慮各種因素的影響，提高數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，使其能夠更好地為鉆石型橋塔斜拉橋的抗震設(shè)計和分析提供支持。五、影響因素分析5.1結(jié)構(gòu)參數(shù)影響5.1.1橋塔坡度橋塔坡度作為鉆石型橋塔斜拉橋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，對橋梁的橫向抗震性能有著至關(guān)重要的影響。通過改變有限元模型中橋塔的坡度，設(shè)置多個不同的坡度值，如[具體坡度值1]、[具體坡度值2]、[具體坡度值3]等，對不同坡度下的橋塔進(jìn)行地震響應(yīng)分析。在不同坡度下，橋塔的受力和變形情況呈現(xiàn)出明顯的差異。隨著橋塔坡度的增大，橋塔的整體剛度有所變化。當(dāng)橋塔坡度較小時，橋塔的橫向剛度相對較大，在地震作用下，橋塔的水平位移相對較小。這是因為較小的坡度使得橋塔的結(jié)構(gòu)形態(tài)較為直立，抵抗水平荷載的能力較強(qiáng)。然而，較小的坡度也會導(dǎo)致橋塔在承受豎向荷載時，下塔柱底部的彎矩較大，在地震作用下，該部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，容易出現(xiàn)混凝土開裂等損傷。當(dāng)橋塔坡度增大時，橋塔的橫向剛度會有所減小，在地震作用下，橋塔的水平位移會相應(yīng)增大。但同時，由于橋塔坡度的增大，下塔柱的傾斜角度增加，使得橋塔在承受豎向荷載時，下塔柱底部的彎矩得到一定程度的分散，從而降低了該部位在地震作用下的應(yīng)力集中程度，減少了混凝土開裂的風(fēng)險。通過對不同坡度下橋塔的地震響應(yīng)分析，確定合理的橋塔坡度范圍。在綜合考慮橋塔的受力性能、變形要求以及抗震安全等因素后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)橋塔坡度在[具體合理坡度范圍]之間時，橋塔能夠在保證一定橫向剛度的前提下，有效降低下塔柱底部的應(yīng)力集中，減小地震作用下的損傷，同時將橋塔的水平位移控制在合理范圍內(nèi)，從而提高橋梁的橫向抗震性能。例如，在[具體工程案例]中，通過對不同橋塔坡度方案的對比分析，最終選擇了橋塔坡度為[具體坡度值]的方案，該方案在地震作用下，橋塔的受力和變形均滿足設(shè)計要求，橋梁的橫向抗震性能得到了有效保障。5.1.2塔梁連接方式塔梁連接方式是影響鉆石型橋塔斜拉橋橫向抗震性能的另一個重要因素。不同的塔梁連接方式，如剛接、鉸接、半剛接等，會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)行為和響應(yīng)特性存在顯著差異。在剛接連接方式下，塔梁之間形成剛性連接，結(jié)構(gòu)的整體剛度較大。在地震作用下，橋塔和主梁能夠協(xié)同工作，共同抵抗地震力。這種連接方式使得結(jié)構(gòu)的變形相對較小，能夠有效地限制主梁的位移。由于結(jié)構(gòu)剛度較大，地震力在傳遞過程中會使橋塔承受較大的內(nèi)力，尤其是在塔梁連接處，應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，容易導(dǎo)致該部位出現(xiàn)損傷。鉸接連接方式下，塔梁之間通過鉸連接，結(jié)構(gòu)的剛度相對較小，主梁在地震作用下具有一定的自由轉(zhuǎn)動能力。這種連接方式可以減小橋塔在地震作用下的內(nèi)力，因為主梁的轉(zhuǎn)動可以釋放一部分地震力，降低橋塔的受力。然而，由于結(jié)構(gòu)剛度較小，主梁的位移會相對較大，需要設(shè)置有效的限位裝置來防止主梁過度位移，否則可能會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。半剛接連接方式則介于剛接和鉸接之間，它結(jié)合了兩者的優(yōu)點，具有一定的剛度和轉(zhuǎn)動能力。在地震作用下，半剛接連接方式能夠在一定程度上協(xié)調(diào)橋塔和主梁的變形，既可以減小橋塔的內(nèi)力，又能控制主梁的位移。通過調(diào)整半剛接連接的剛度參數(shù)，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，使其更好地適應(yīng)不同的地震工況。為了深入分析不同塔梁連接方式對結(jié)構(gòu)剛度和地震響應(yīng)的影響，建立多種不同連接方式的有限元模型，并進(jìn)行地震響應(yīng)分析。對比不同模型在相同地震波作用下的位移、加速度、應(yīng)力等響應(yīng)參數(shù)。結(jié)果表明，剛接連接方式下，橋塔底部的最大應(yīng)力為[X]MPa，主梁的最大位移為[X]mm；鉸接連接方式下，橋塔底部的最大應(yīng)力為[X]MPa，主梁的最大位移為[X]mm；半剛接連接方式下，橋塔底部的最大應(yīng)力為[X]MPa，主梁的最大位移為[X]mm。可以看出，不同連接方式下，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)存在明顯差異。在實際工程設(shè)計中，需要根據(jù)橋梁的具體情況，如跨度、地震設(shè)防烈度、場地條件等因素，綜合考慮選擇合適的塔梁連接方式，以提高橋梁的橫向抗震性能。例如，在地震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，對于大跨度的鉆石型橋塔斜拉橋，采用半剛接連接方式，并合理設(shè)置連接剛度，可能是一種較為理想的選擇，既能有效降低橋塔的地震內(nèi)力，又能控制主梁的位移，確保橋梁在地震作用下的安全。5.1.3斜拉索布置斜拉索作為鉆石型橋塔斜拉橋的重要受力構(gòu)件，其布置形式對橋梁的橫向抗震性能有著顯著影響。斜拉索的布置形式主要包括索距、索面形狀等方面，這些因素會直接影響斜拉索在地震作用下的受力和傳力特性，進(jìn)而影響整個橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。索距是指相鄰兩根斜拉索之間的水平距離。較小的索距意味著斜拉索分布更為密集，能夠更均勻地分擔(dān)主梁的荷載，提高主梁的剛度和穩(wěn)定性。在地震作用下，較小的索距可以使斜拉索更有效地約束主梁的位移，減小主梁的振動幅度。由于斜拉索數(shù)量增多，橋塔所承受的拉力也會相應(yīng)增加，橋塔的受力更加復(fù)雜。較大的索距則會使斜拉索分布相對稀疏，雖然可以減少斜拉索的用量和施工難度，但主梁在地震作用下的位移可能會增大，尤其是在索距較大的部位，主梁的局部剛度降低，容易出現(xiàn)較大的變形。同時，由于斜拉索之間的間距較大，在地震作用下，斜拉索之間的協(xié)同作用減弱，可能會導(dǎo)致部分斜拉索受力過大，影響橋梁的整體安全性。索面形狀也是影響斜拉索受力和傳力特性的重要因素。常見的索面形狀有平行索面、扇形索面等。平行索面的斜拉索相互平行，其受力較為均勻，傳力路徑相對簡單。在地震作用下，平行索面能夠較好地抵抗水平荷載，使橋塔和主梁的受力分布較為均勻。然而，平行索面在抵抗豎向荷載時，由于斜拉索的傾斜角度相同，其對主梁的豎向支撐作用相對較弱。扇形索面的斜拉索呈扇形分布，從橋塔頂部向主梁逐漸展開。這種索面形狀能夠充分利用斜拉索的拉力，在抵抗豎向荷載和水平荷載時都具有較好的性能。在豎向荷載作用下，扇形索面的斜拉索能夠提供較大的豎向分力，有效地支撐主梁；在水平荷載作用下，斜拉索的水平分力能夠協(xié)同抵抗水平力，增強(qiáng)橋梁的橫向穩(wěn)定性。扇形索面的斜拉索在橋塔和主梁上的錨固點分布較為復(fù)雜，對錨固構(gòu)造的要求較高。為了研究斜拉索布置形式對橫向抗震性能的影響，建立不同索距和索面形狀的有限元模型，并進(jìn)行地震響應(yīng)分析。分析不同模型在地震作用下斜拉索的受力情況、橋塔和主梁的位移以及結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。結(jié)果表明，在相同地震波作用下，索距為[具體較小索距值]的模型，主梁的最大位移為[X]mm，斜拉索的最大拉力為[X]kN；索距為[具體較大索距值]的模型，主梁的最大位移為[X]mm，斜拉索的最大拉力為[X]kN。對于索面形狀，扇形索面模型在地震作用下，橋塔底部的最大應(yīng)力比平行索面模型降低了[X]%，主梁的最大位移減小了[X]mm。可以看出，索距和索面形狀對橋梁的橫向抗震性能有著重要影響。在實際工程設(shè)計中，需要根據(jù)橋梁的跨度、荷載條件、抗震要求等因素，綜合考慮選擇合適的斜拉索布置形式，以優(yōu)化橋梁的橫向抗震性能，確保橋梁在地震作用下的安全可靠。例如，對于大跨度的鉆石型橋塔斜拉橋，采用較小的索距和扇形索面布置形式，能夠充分發(fā)揮斜拉索的作用，提高橋梁的橫向抗震能力。5.2地震動參數(shù)影響5.2.1地震波頻譜特性地震波的頻譜特性是影響鉆石型橋塔斜拉橋橫向抗震性能的重要因素之一。不同頻譜特性的地震波，其能量分布在不同的頻率范圍內(nèi)，這會導(dǎo)致橋塔在地震作用下的動力響應(yīng)產(chǎn)生顯著差異。為了深入研究地震波頻譜特性對橫向抗震性能的影響，選取了多條具有不同頻譜特性的地震波，如El-Centro波、Taft波以及根據(jù)當(dāng)?shù)氐卣鸬刭|(zhì)條件合成的人工地震波等，對建立的有限元模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析。在El-Centro波作用下，橋塔的地震響應(yīng)呈現(xiàn)出一定的特征。該波的頻譜較為豐富，能量分布相對均勻，涵蓋了較寬的頻率范圍。在這種地震波的激勵下，橋塔的各階振型都可能被激發(fā)，導(dǎo)致橋塔的位移和加速度響應(yīng)較為復(fù)雜。橋塔頂部的水平位移時程曲線呈現(xiàn)出多個峰值，且峰值之間的時間間隔較短，這表明橋塔在不同頻率成分的地震波作用下產(chǎn)生了復(fù)雜的振動。同時，橋塔的加速度響應(yīng)也較大，尤其是在某些特定頻率處，加速度峰值明顯增大，這是由于這些頻率與橋塔的某些固有頻率接近，產(chǎn)生了共振效應(yīng)，使得橋塔的受力狀況惡化。Taft波的頻譜特性與El-Centro波有所不同，其能量相對集中在某些特定的頻率段。在Taft波作用下，橋塔的地震響應(yīng)也表現(xiàn)出獨特的規(guī)律。由于Taft波的能量集中特性，橋塔的某些固有頻率更容易與地震波的主要頻率成分相匹配，從而引發(fā)強(qiáng)烈的共振。在這種情況下，橋塔在共振頻率附近的位移和加速度響應(yīng)顯著增大，結(jié)構(gòu)的受力更加不利。橋塔底部的彎矩和剪力明顯增加，超過了設(shè)計允許值，可能導(dǎo)致橋塔底部出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷，如混凝土開裂、鋼筋屈服等。通過對不同頻譜特性地震波作用下橋塔地震響應(yīng)的對比分析，發(fā)現(xiàn)地震波的頻譜特性對橋塔的位移、加速度、應(yīng)力和應(yīng)變等響應(yīng)有著顯著的影響。頻譜豐富的地震波會激發(fā)橋塔的多個振型，使橋塔的響應(yīng)更加復(fù)雜；而能量集中的地震波則容易引發(fā)共振，導(dǎo)致橋塔在某些特定頻率處的響應(yīng)急劇增大。在進(jìn)行鉆石型橋塔斜拉橋的抗震設(shè)計時，應(yīng)充分考慮地震波頻譜特性的影響，選擇合適的地震波進(jìn)行分析，以確保橋塔在不同頻譜特性的地震波作用下都具有足夠的抗震性能。同時，還可以通過調(diào)整橋塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如改變橋塔的剛度、質(zhì)量分布等，來避免橋塔的固有頻率與常見地震波的主要頻率成分接近，從而減小共振的可能性，提高橋塔的抗震安全性。5.2.2地震波峰值加速度地震波峰值加速度是衡量地震強(qiáng)烈程度的重要指標(biāo)，它直接決定了地震作用的大小，對鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能有著至關(guān)重要的影響。為了探討地震波峰值加速度對橫向抗震性能的影響，采用不同峰值加速度的地震波對有限元模型進(jìn)行加載分析，設(shè)置多個峰值加速度工況，如0.1g、0.2g、0.3g等，研究橋塔在不同峰值加速度下的損傷破壞情況和抗震能力。隨著地震波峰值加速度的增大，橋塔的地震響應(yīng)顯著增大。在較小的峰值加速度下，如0.1g時，橋塔基本處于彈性階段，結(jié)構(gòu)的變形較小，應(yīng)力和應(yīng)變也在材料的彈性范圍內(nèi)。此時，橋塔的位移和加速度響應(yīng)相對較小，結(jié)構(gòu)的損傷輕微，僅在橋塔底部等局部應(yīng)力集中部位出現(xiàn)少量細(xì)微裂縫，對橋塔的整體承載能力影響較小。當(dāng)峰值加速度增加到0.2g時，橋塔開始進(jìn)入非線性階段，混凝土逐漸出現(xiàn)開裂，鋼筋的應(yīng)力也逐漸增大。橋塔底部的裂縫數(shù)量增多，寬度增大，部分鋼筋開始屈服。橋塔的位移和加速度響應(yīng)明顯增大，結(jié)構(gòu)的剛度開始退化，耗能能力逐漸增強(qiáng)。此時，橋塔的承載能力雖然有所下降，但仍能滿足正常使用要求。當(dāng)峰值加速度進(jìn)一步增大到0.3g時，橋塔的損傷加劇，底部混凝土出現(xiàn)剝落，鋼筋外露，結(jié)構(gòu)的承載能力大幅下降。橋塔的位移和加速度響應(yīng)急劇增大，結(jié)構(gòu)的變形明顯，可能出現(xiàn)失穩(wěn)的危險。在這種情況下，橋塔已經(jīng)無法承受正常的荷載，需要進(jìn)行加固或修復(fù)。通過對不同峰值加速度下橋塔損傷破壞情況的分析，確定橋塔的抗震能力。根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)橋塔的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等響應(yīng)超過一定的限值時，認(rèn)為橋塔達(dá)到了破壞狀態(tài)。在本研究中，通過對不同峰值加速度工況下橋塔響應(yīng)的計算和分析，確定了橋塔在不同地震設(shè)防烈度下的抗震能力。結(jié)果表明，橋塔的抗震能力隨著峰值加速度的增大而降低，在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)橋塔所在地區(qū)的地震設(shè)防烈度，合理確定橋塔的抗震設(shè)計參數(shù)，以確保橋塔在地震作用下具有足夠的抗震能力。同時，還可以通過采取一些抗震措施，如增加橋塔的配筋、提高混凝土強(qiáng)度等級、設(shè)置阻尼器等，來提高橋塔的抗震能力，減小地震作用對橋塔的破壞。5.2.3地震波持時地震波持時是指地震波從開始到結(jié)束的持續(xù)時間，它對鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能也有著重要的影響。較長的地震波持時會使橋塔經(jīng)歷更多的循環(huán)加載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的累積損傷增加，同時也會對橋塔的疲勞性能產(chǎn)生不利影響。為了分析地震波持時對橫向抗震性能的影響，選擇不同持時的地震波對有限元模型進(jìn)行加載，研究持時對橋塔累積損傷和疲勞性能的影響。在地震波持時較短的情況下，如10s，橋塔在地震作用下的累積損傷相對較小。雖然在地震過程中橋塔會產(chǎn)生一定的位移、應(yīng)力和應(yīng)變，但由于持時較短，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的循環(huán)加載次數(shù)較少，混凝土和鋼筋的損傷發(fā)展相對緩慢。橋塔底部可能會出現(xiàn)少量裂縫，但裂縫寬度較小，鋼筋的應(yīng)力也在可承受范圍內(nèi)，橋塔的整體性能基本保持穩(wěn)定。當(dāng)?shù)卣鸩ǔ謺r增加到20s時，橋塔的累積損傷明顯增大。隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，混凝土的裂縫不斷擴(kuò)展，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力逐漸下降，鋼筋的應(yīng)力也逐漸增大。橋塔底部的裂縫寬度增大，數(shù)量增多，部分鋼筋可能進(jìn)入屈服狀態(tài)。此時，橋塔的剛度降低，變形增大，結(jié)構(gòu)的抗震性能受到一定程度的影響。當(dāng)?shù)卣鸩ǔ謺r進(jìn)一步延長到30s時，橋塔的累積損傷達(dá)到較為嚴(yán)重的程度。橋塔底部的混凝土出現(xiàn)剝落，鋼筋外露，結(jié)構(gòu)的承載能力大幅下降。由于長期的循環(huán)加載，橋塔的疲勞性能也受到嚴(yán)重影響，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在較低的應(yīng)力水平下發(fā)生疲勞破壞。在這種情況下，橋塔已經(jīng)接近或達(dá)到破壞狀態(tài)，無法保證橋梁的正常使用。通過對不同持時地震波作用下橋塔累積損傷和疲勞性能的研究，評估地震波持時的作用。結(jié)果表明，地震波持時對橋塔的累積損傷和疲勞性能有著顯著的影響。較長的持時會使橋塔的累積損傷不斷增加，疲勞性能下降，從而降低橋塔的抗震性能。在進(jìn)行鉆石型橋塔斜拉橋的抗震設(shè)計時，應(yīng)充分考慮地震波持時的影響，合理評估橋塔在不同持時地震作用下的性能。可以通過采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加結(jié)構(gòu)的冗余度、提高材料的耐久性等措施，來減小地震波持時對橋塔的不利影響，提高橋塔的抗震性能和使用壽命。六、抗震性能評估與提升措施6.1抗震性能評估方法基于試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，采用能力譜法和損傷指標(biāo)法對鉆石型橋塔斜拉橋的橫向抗震性能進(jìn)行全面評估。能力譜法是一種基于位移的靜力彈塑性分析方法，其基本原理是將結(jié)構(gòu)的靜力推覆曲線轉(zhuǎn)化為能力譜，并與需求譜繪于同一坐標(biāo)系，通過迭代的方法求得推覆曲線與需求曲線的最終交點，即目標(biāo)位移，以此來評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。在應(yīng)用能力譜法時，首先利用有限元軟件對鉆石型橋塔斜拉橋進(jìn)行靜力推覆分析，得到基底剪力-頂點位移曲線，即推覆曲線。然后，將多自由度體系轉(zhuǎn)化為等效單自由度體系，通過一系列的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將推覆曲線轉(zhuǎn)化為能力譜曲線。具體來說，把基底剪力-頂點位移（V-u）曲線坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為能力譜（S_a-S_d）曲線坐標(biāo)，其中S_a為譜加速度，S_d為譜位移。同時，將加速度反應(yīng)譜（S_a-T）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為ADRS譜（S_a-S_d）坐標(biāo)系，T為結(jié)構(gòu)自振周期。之后，根據(jù)場地條件和設(shè)計地震動參數(shù)，生成需求譜曲線。需求譜反映了結(jié)構(gòu)在不同地震動強(qiáng)度下的位移需求。將能力譜曲線與需求譜曲線繪制在同一坐標(biāo)系中，通過迭代計算，找到兩者的交點，該交點對應(yīng)的位移即為目標(biāo)位移。如果目標(biāo)位移滿足設(shè)計要求，則說明橋塔在該地震作用下具有足夠的抗震能力；反之，則需要采取相應(yīng)的加固措施。損傷指標(biāo)法是通過定義損傷指標(biāo)來量化結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷程度，從而評估結(jié)構(gòu)的抗震性能。在本研究中，采用基于應(yīng)變的損傷指標(biāo)，如Park-Ang損傷指標(biāo)，其計算公式為：D=\frac{\varepsilon}{\varepsilon_y}+\frac{\beta}{1+\beta}\frac{\int_{0}^{t}|\dot{\varepsilon}|dt}{\varepsilon_y}，其中D為損傷指標(biāo)，\varepsilon為當(dāng)前應(yīng)變，\varepsilon_y為屈服應(yīng)變，\beta為與結(jié)構(gòu)耗能能力相關(guān)的參數(shù)，\dot{\varepsilon}為應(yīng)變率。通過試驗和數(shù)值模擬，獲取橋塔關(guān)鍵部位在不同地震作用下的應(yīng)變數(shù)據(jù)，代入損傷指標(biāo)公式進(jìn)行計算。根據(jù)損傷指標(biāo)的大小，將橋塔的損傷狀態(tài)分為不同等級，如輕微損傷、中度損傷和嚴(yán)重?fù)p傷。在試驗過程中，當(dāng)加載幅值達(dá)到一定程度時，通過測量橋塔底部和中塔柱與橫梁連接處等關(guān)鍵部位的應(yīng)變，計算得到損傷指標(biāo)。若損傷指標(biāo)較小，說明橋塔處于輕微損傷狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的抗震性能較好；若損傷指標(biāo)較大，超過了設(shè)定的閾值，則說明橋塔處于嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，需要進(jìn)行修復(fù)或加固。通過損傷指標(biāo)法，可以直觀地了解橋塔在地震作用下的損傷程度，為抗震性能評估提供重要依據(jù)。6.2現(xiàn)有抗震設(shè)計規(guī)范適應(yīng)性分析目前，我國現(xiàn)行的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范主要包括《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T2231-01-2020）和《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ166-2011）等。這些規(guī)范為橋梁的抗震設(shè)計提供了基本的指導(dǎo)原則和方法，在保障橋梁抗震安全方面發(fā)揮了重要作