地震下连续梁桥支座与侧向挡块摩擦行为的时空演变及耦合机理

The influence and coupling mechanism of multiple factors on the friction for bearings and lateral blocks on continuous bridges have not been researched thoroughly. It has seriously restricted the performance-based seismic calculation. This project will thoroughly study on the topic by adopting theoretical derivation, numerical simulation, shaking table test and other methods. Firstly, regular and irregular friction sources for the bearings and the lateral blocks on continuous bridges will be investigated to explore the contact mechanism and the friction rules. Secondly, the quantitative relationships between friction coefficient and consolidation, lubrication, wear, temperature, friction velocity, surface pressure and other factors will be identified to build the spatio-temporal evolution database of the friction. Thirdly, the applicable scope of coulomb friction model will be identified, and the multi-parameter mechanical model of dry friction and rubber rheology friction including the distribution of parameters will be established. Fourthly, the finite element model of the whole bridge will be analyzed to reveal the coupling mechanism of the friction evolution and the bridge’s seismic response and damage state. Finally, the bifurcation phenomenon of the bridge seismic response, multiple failure modes and discrete degree will be scientifically explained to optimize the space distribution and the time change process of the friction for the bearings and the lateral blocks on continuous bridges. The project outcome can ensure friction parameters for the bearings and the lateral blocks on continuous bridges to be well documented. The seismic damage risk of the structure can be reduced by controlling the spatio-temporal evolution of the friction. The research approach of this project can be extended to other friction sources and other bridges.

连续梁桥支座和侧向挡块在正常、损伤、断裂、污物介入等状态下，其摩擦行为的多因素影响、耦合机理缺乏深入研究，已制约基于性能的精细化抗震计算。本项目拟采用理论推导、数值仿真和振动台试验等手段，开展以下研究工作：（1）统计连续梁桥支座和侧向挡块的常规、非常规摩擦源，探明接触机理和摩擦规律；（2）确定摩擦系数与固结、润滑、磨损、温度、摩擦速度、表面压力等因素的量化关系，建立摩擦时空演变数据库；（3）明确库仑摩擦模型适用范围，建立干摩擦和橡胶流变学摩擦多参数力学模型，确定参数分布；（4）揭示支座、侧向挡块摩擦演变过程与全桥地震反应、损伤状态的耦合机理；（5）解释支座、侧向挡块摩擦导致的桥梁地震反应分岔现象、多种破坏模式和离散程度，优化摩擦空间分布和时变过程。研究成果确保连续梁桥的典型支座和侧向挡块摩擦参数有据可查，通过控制摩擦时空演变降低结构地震破坏风险，研究思路可拓展至其他摩擦源和其他桥型。

支座和挡块摩擦行为缺乏深入研究，已制约连续梁桥基于性能的精细化抗震计算。针对地震下连续梁桥支座与挡块摩擦行为的时空演变及耦合机理，采用理论推导、数值仿真和振动台试验等手段，开展了以下研究工作：（1）统计了连续梁桥支座和挡块的主要摩擦源，建立了地震下局部界面摩擦的静摩擦-启滑-动摩擦演变计算方法；（2）确定了摩擦的主要影响因素，提出了“局部摩擦力严格等效”抗震试验模型缩尺理论，计算结果与试验结果吻合；（3）基于库仑摩擦，通过地震下桥梁局部界面的摩擦演变计算和试验，揭示了区别于粘滞阻尼的摩擦行为的大刚度锁定、错动隔震、耗能减震机理，以及桥梁支座减隔震功能转化的摩擦干扰机理及改良方法；（4）创建了地震下摩擦源构件一体化建模方法、易损性分析软件、风险评估软件、试验平台，揭示了支座、挡块摩擦演变过程与全桥地震反应、损伤状态的耦合机理；（5）解释了支座、挡块摩擦导致的桥梁地震反应分岔现象、多种破坏模式和离散程度，提出了必须严格模拟地震反应敏感区的局部摩擦机制（无法等效为粘滞阻尼），并且最佳摩擦随地震荷载变化，建议了“小震小摩擦、大震大摩擦”的“凹形摩擦”最佳界面。通过控制摩擦时空演变，取得降低连续梁桥地震破坏风险或其他应用效果，例如：“摩擦演变计算程序”应用于成兰铁路、渝昆铁路等桥梁局部抗震计算；“摩擦缩尺理论与技术”实现了轨道结构、减隔震装置等构件的合理缩尺试验，支撑建设了世界唯一的“地震下列车-轨道-桥梁系统”缩尺试验平台；“凹形摩擦”最佳界面被用于研发新型减隔震装置；“减隔震功能转化的摩擦干扰机理及改良方法”被推荐应用于实际工程和规范改版。总体上，本项目部分解决了桥梁局部界面的摩擦演变计算、试验和优化难题，以及局部摩擦与系统损伤的量化关系难题，对结构动力学的摩擦内容进行了很多补充，获得省部级或重要协会奖励3项，为地震下“摩擦演变与优化控制的持续研究”提供了理论基础和技术支撑。