建筑結(jié)構(gòu)耗能減震技術(shù)及阻尼器研究進(jìn)展

文 龍

(四川省建筑設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610094)

自20世紀(jì)70年代以來，人們不斷探索和創(chuàng)新促進(jìn)了結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)的長足發(fā)展.尤其最近20年，結(jié)構(gòu)消能減震研究及應(yīng)用處于嶄新的歷史時期，有學(xué)者指出抗震設(shè)計理論發(fā)展可分為四個階段即從靜力設(shè)計階段到反應(yīng)譜設(shè)計階段、動力設(shè)計階段，再到基于性態(tài)的振動控制設(shè)計理論階段.上世紀(jì)70、80年代結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計進(jìn)入到基于性態(tài)的振動控制設(shè)計理論階段[1].所謂基于性態(tài)設(shè)計是指為控制結(jié)構(gòu)應(yīng)對不同地震強度建立不同的性態(tài)水準(zhǔn)和指標(biāo)，從而在地震作用下維持所期望的性態(tài)，達(dá)到減輕或避免地震危害的目的[2].第四階段的突出標(biāo)志是人們將振動控制理論成功引入到結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，形成了“結(jié)構(gòu)振動控制理論”并獲得迅速發(fā)展[3]，成為抗震設(shè)計史上的一個重要里程碑，是理論的一次重大變革[1].結(jié)構(gòu)振動控制分為被動控制、主動控制、半主動控制和混合控制[3]，其中被動控制理論和技術(shù)的應(yīng)用使建筑結(jié)構(gòu)具有耗能減震功能強、性能穩(wěn)定、性價比高等特點，在國際上得到廣泛研究和應(yīng)用.被動控制技術(shù)是指在原結(jié)構(gòu)上附設(shè)不需要外部輸入能量的振動控制裝置，從而減輕或避免地震危害的技術(shù).其中的結(jié)構(gòu)消能減震技術(shù)因其具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢成為目前國內(nèi)外研究的主流方向[4].

1 消能減震技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 結(jié)構(gòu)消能減震概述

為了更有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，研究者提出在設(shè)計中采用“柔性耗能”理念來減小結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼特性來實現(xiàn)預(yù)期抗震水平.傳統(tǒng)設(shè)計以結(jié)構(gòu)構(gòu)件的塑性損傷為代價，秉持“硬抗”理念，采用優(yōu)化關(guān)鍵構(gòu)件的特征幾何尺度、放大構(gòu)件材料強度等措施以提高結(jié)構(gòu)的抗震承載能力.眾所周知，地震的發(fā)生和作用具有極強的隨機性和破壞性，因此，傳統(tǒng)設(shè)計不僅難于保障建筑結(jié)構(gòu)及生命財產(chǎn)安全，還可能大幅度增加建設(shè)成本.二十世紀(jì)70年代初，美國學(xué)者Yao首次將振動控制理論應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，提出消能減震的概念[5].結(jié)構(gòu)消能減震又稱耗能減震，其機理是在特定構(gòu)件的界面連接處安裝耗能器，通過耗能器將地震動輸入的機械能轉(zhuǎn)化成能夠均勻耗散的熱能從而使得結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)降低，或者通過新結(jié)構(gòu)中的原結(jié)構(gòu)和附設(shè)裝置分別作為主結(jié)構(gòu)和子結(jié)構(gòu)聯(lián)合承擔(dān)振動作用，從而獲得調(diào)諧，并將振動反應(yīng)控制在預(yù)期值以內(nèi).在采用消能減震方法的情況下，在較低級別地震或風(fēng)振作用下結(jié)構(gòu)可以獲得足夠的初始剛度而保持彈性狀態(tài)；而在較高級別地震或風(fēng)振作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形尚未開始變大時，耗能裝置就能先于結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，從而避免結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件進(jìn)入到非彈性狀態(tài).

1.2 消能減震結(jié)構(gòu)性能研究

1.2.1 減震作用及影響分析

減震作用分析較為復(fù)雜，因為當(dāng)安裝在消能減震結(jié)構(gòu)中的耗能器(阻尼器)工作時，改變了結(jié)構(gòu)阻尼比和結(jié)構(gòu)剛度，從而使結(jié)構(gòu)的動力特性發(fā)生了變化.同時由于大多數(shù)阻尼器需要在其本身材料進(jìn)入彈塑性階段才能發(fā)揮出耗能效果或者阻尼器本身材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系即表現(xiàn)為全過程非線彈性，使得本來在目標(biāo)荷載作用下表現(xiàn)為線彈性的結(jié)構(gòu)動力特性具有了不可忽略的非線性特征.有學(xué)者利用基于結(jié)構(gòu)加速度的統(tǒng)計預(yù)測數(shù)值來計算耗能結(jié)構(gòu)地震作用，再通過基于理論構(gòu)造的結(jié)構(gòu)速度、位移與減震作用的函數(shù)關(guān)系以及具體實驗數(shù)據(jù)來修正前者的計算結(jié)果，從而提出了聯(lián)合采用這3個變量來進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震分析與計算的方法[6].針對消能減震結(jié)構(gòu)對地震作用響應(yīng)的分析，以耗能器與斜撐串聯(lián)的協(xié)同作用為切入點，就阻尼器剛度、屈服位移和附加阻尼比等不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)減震結(jié)果的影響進(jìn)行數(shù)值計算，取得這些參數(shù)的最優(yōu)取值范圍，改善采用線性數(shù)值算法的計算精度[7].研究者對消能減震結(jié)構(gòu)非正交阻尼的振型分解反應(yīng)譜進(jìn)行分析指出，強振型分解反應(yīng)譜法具有快速、簡便、實用等優(yōu)點[8]，還對采用非經(jīng)典阻尼矩陣進(jìn)行表述的結(jié)構(gòu)動力方程進(jìn)行研究，提出了控制系統(tǒng)誤差法[9].1.2.2 減震結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化分析

消能減震結(jié)構(gòu)參數(shù)與減震性能之間存在密切聯(lián)系，因此參數(shù)的優(yōu)化問題是挖掘結(jié)構(gòu)減震潛力的重要手段.有學(xué)者根據(jù)消能構(gòu)件剛度和結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)對抗震設(shè)計方法進(jìn)行優(yōu)化，并研究了等效阻尼與上述參數(shù)的聯(lián)系[10].還有學(xué)者以性價比為分析目的，取得單層框架結(jié)構(gòu)粘彈阻尼器的優(yōu)化參數(shù)[11].針對消能減震結(jié)構(gòu)設(shè)計的阻尼比，有研究者分析認(rèn)為，即使結(jié)構(gòu)阻尼比不是定值，只要保證阻尼矩陣為剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的線性疊加，則仍可采用針對常微分方程的數(shù)值解法對動力方程進(jìn)行求解[12].另一項對多自由度帶支撐Maxwell耗能器減震結(jié)構(gòu)的等效阻尼比的研究，學(xué)者構(gòu)建了耗能結(jié)構(gòu)一般微分和積分混合地震響應(yīng)方程組[13].還有研究者針對非線性調(diào)諧質(zhì)量耗能器及隔震系統(tǒng)的粘滯阻尼比等進(jìn)行研究，獲得該耗能器的最佳設(shè)計方法和隔震系統(tǒng)的最佳粘滯阻尼比[14].

1.2.3 耗能器位置優(yōu)化

在消能減震結(jié)構(gòu)中，耗能器在結(jié)構(gòu)中的安裝位置的優(yōu)化問題是影響結(jié)構(gòu)減震性能和成本的另一重要因素.有學(xué)者采用最少的耗能器數(shù)量能夠使結(jié)構(gòu)體系達(dá)到預(yù)期減震性能，通過遺傳算法分析取得結(jié)構(gòu)處于線性階段時耗能器的最優(yōu)尺寸和最優(yōu)位置，獲得最優(yōu)減震效果[15].通過不同阻尼器布置方案在結(jié)構(gòu)最大層間位移角發(fā)生部位逐個布置阻尼器并重新對增加阻尼器后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動分析，從而形成一種簡易的序列搜尋法[16].關(guān)于耗能器在結(jié)構(gòu)中分布位置的優(yōu)化問題，有人以3個無量綱變量即:位移量、位移加速度、層間位移角度三者最大值之間兩兩比值為對象，應(yīng)用遺傳算法對5組布置方案進(jìn)行了比較，從而獲得最優(yōu)方案[17].也有人采用另一技術(shù)來解決布置優(yōu)化問題，他們通過耗能器參數(shù)隨機最優(yōu)控制的方法進(jìn)行同步優(yōu)化，結(jié)果顯示，受控結(jié)構(gòu)反應(yīng)在層間分布更為均衡，不僅取得較理想的綜合耗能效果，還降低了成本[18].還有研究者對比耗能器的5種優(yōu)化布置技術(shù)，對線性耗能器和非線性耗能器均進(jìn)行了時程分析，取得最大層間位移、絕對加速度和結(jié)構(gòu)殘余位移優(yōu)化結(jié)果[19].同時，對多層鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出基于底層剪力的阻尼器優(yōu)化設(shè)計方法[20].研究人員針對超高層結(jié)構(gòu)耗能器的合理布置方法進(jìn)行分析，得出樓層相對位移速度應(yīng)為最優(yōu)先控制的變量的結(jié)論[21].有學(xué)者基于遺傳算法對耗能器布置變化對結(jié)構(gòu)動力特性改變的原因進(jìn)行研究，得出不同的設(shè)計地震加速度取值對耗能器最合理布置方案的影響要遠(yuǎn)大于不同結(jié)構(gòu)之間的自身動力特性的差異[22].還采用能量法研究雙向均對稱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了線性耗能器分布位置的優(yōu)化[23].研究者比較了耗能器布置方式對于不同形式的伸臂桁架的影響，表明盡管斜撐耗能器效率高于豎向耗能器，但通常后者表現(xiàn)為最合理布置[24].

2 建筑結(jié)構(gòu)阻尼器研究進(jìn)展

阻尼器又稱耗能器，是一種提供運動阻力，耗散運動能量的裝置.較早利用阻尼器來消能減震是在航天、航空、汽車制造等領(lǐng)域，上世紀(jì)70年代開始將阻尼器應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)抗震工程.根據(jù)阻尼器工作原理不同可分為3種基本類型:與位移相關(guān)聯(lián)的阻尼器、與速度相關(guān)聯(lián)的阻尼器和復(fù)合型阻尼器.

2.1 位移型阻尼器

位移相關(guān)聯(lián)的阻尼器簡稱位移型阻尼器，又分為金屬阻尼器和摩擦阻尼器，其耗能能力主要與位移相關(guān)，位移越大，耗能能力越強[25].這類阻尼器的位移滯回曲線為典型的雙線型，能夠增加結(jié)構(gòu)的剛度，縮短自振周期，是能夠良好控制結(jié)構(gòu)位移的阻尼裝置.

2.1.1 金屬阻尼器

金屬阻尼器是耗能裝置的一種類型，原理是通過材料塑性變形來轉(zhuǎn)換能量[25]，具有工作性能穩(wěn)定、持久性好、構(gòu)造簡單、易于維護等特點.制作材料一般有軟鋼、低屈服點鋼、鉛等金屬.類型一般有軟鋼阻尼器、鉛阻尼器和形狀記憶合金阻尼器等.

1972年，研究者開始在消能減震結(jié)構(gòu)中安裝金屬阻尼器來耗散地震輸入能，并進(jìn)行系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究[26].金屬鉛延性好并且具有較高的疲勞強度，因此研究者研發(fā)出各種類型的鉛阻尼器[27].針對結(jié)構(gòu)薄弱層設(shè)計，研究者將兩種金屬屈服阻尼器(雙X形和單圓孔形)與鋼支撐連接構(gòu)成消能支撐體系.給出了消能支撐參數(shù)的設(shè)計方法，并解決了消能支撐與框架梁之間的節(jié)點連接問題[28].有學(xué)者設(shè)計一種具有豎向耗能能力的抗傾覆鋼鉛組合阻尼器，試驗表明，該阻尼器能夠使鋼鉛兩種材料協(xié)同作用共同耗能，制作簡單，位移小，阻尼大，耗能穩(wěn)定.并給出了阻尼器力學(xué)性能和恢復(fù)力模型[29].還分析金屬阻尼器在高層建筑中的耗能減震效果及其彈塑性反應(yīng)、結(jié)構(gòu)自振周期和振型、層間位移角曲線，顯示，該阻尼器耗能特性較好、層間位移角減小、墻與連梁的破壞程度有所降低[30].另一項試驗，采用一種基于形狀優(yōu)化框架的方法來提高結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下的抗震耗能和變形能力.研究者將U型鋼阻尼器的直線部分、厚度和高度作為優(yōu)化問題的設(shè)計變量，通過最大化塑性變形耗能與最大等效塑性應(yīng)變之比進(jìn)行優(yōu)化.在找到阻尼器最優(yōu)形狀后，對其耗能能力和變形能力進(jìn)行評估，結(jié)果表明，與現(xiàn)有的優(yōu)化方法相比，這種優(yōu)化阻尼器形狀的方法能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的耗能能力和變形能力[31].針對一般總自復(fù)位系統(tǒng)的屈服先于金屬阻尼器，而當(dāng)采用低屈服點鋼作為金屬阻尼器材料時，其屈服時間可能早于總自復(fù)位系統(tǒng)，而由于不同的滯回特性，后一種屈服通常會導(dǎo)致對位移和強度的要求降低這一現(xiàn)象.研究者分析這兩種屈服的非線性位移比譜，表明，大多數(shù)關(guān)鍵參數(shù)對非線性位移比譜的影響趨勢與前人研究一致，但部分參數(shù)對這兩種屈服現(xiàn)象有相反的影響.對其修正后顯示，金屬阻尼器屈服的修正關(guān)系比總自復(fù)位系統(tǒng)有更好的預(yù)測效果[32].

2.1.2 摩擦阻尼器

摩擦阻尼器的原理是通過兩個可以發(fā)生相對運動的器件進(jìn)行摩擦耗能，具有耗能強、構(gòu)造簡單、取材容易、性價比高等特點.國外學(xué)者基于不同的摩擦面、構(gòu)件材料以及阻尼器連結(jié)約束構(gòu)造設(shè)計出多種阻尼器.從同時對摩擦阻尼器恢復(fù)力模型的特點進(jìn)行分析，獲得理想典型模型和等效線性化方法[33].根據(jù)向心式變摩擦阻尼器的原理及其力學(xué)性能，有學(xué)者探討安裝該阻尼器的結(jié)構(gòu)在自由振動和強迫振動時的動力特性和動力反應(yīng)特點，揭示該阻尼器引起結(jié)構(gòu)抖振的機理，分析該消能減振結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)阻尼器參數(shù)對結(jié)構(gòu)動力特性及地震反應(yīng)的影響，給出了受控結(jié)構(gòu)的非線性反應(yīng)譜[34].隨后，設(shè)計者基于性價比原則，研發(fā)出用于鋼筋混凝土支撐的鋼板-橡膠摩擦耗能器[35].

2.2 速度型阻尼器

阻尼與相對運動速度構(gòu)成線性函數(shù)關(guān)系的阻尼器可以稱為速度相關(guān)阻尼器，具體有粘彈性和粘滯性兩種.特點:耗能能力與速度大小相關(guān)，變形速度越快，阻尼力越大；不能改變結(jié)構(gòu)的周期，但能夠增加結(jié)構(gòu)的阻尼，在地震作用下能夠減小結(jié)構(gòu)基底剪力及層間位移[36].

2.2.1 粘滯阻尼器

粘滯阻尼器又叫粘滯流體阻尼器，是利用粘滯液體的運動，通過孔隙或間隙，將流體動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而消耗地震能量的一種裝置.該類阻尼器的性能受到激振頻率、相對速度、外界溫度等因素的影響，具有滯回曲線橢圓飽滿，耗能能力強等特點.流體介質(zhì)主要有液壓油、有機硅油、硅基膠、特種懸濁液等[37].根據(jù)阻尼力產(chǎn)生的原理不同可以分為缸式、圓筒式[38].

針對粘滯阻尼器工作機理及性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了許多研究.針對粘滯阻尼器出力與速度的關(guān)系，國外研究者通過實驗得出阻尼器出力大小與速度和位移乘積的比值介于0.30～0.75之間[39].而我國學(xué)者針對不同類型粘滯流體材料的特性和油缸間隙式粘滯耗能器性能的研究發(fā)現(xiàn)，該比值介于0.79～0.87之間[40].另一項針對粘滯阻尼器的耗能機理、流體材料、熱力學(xué)性質(zhì)等的研究揭示:阻尼器作用力F與活塞桿運動速度v和n次冪呈線性關(guān)系；如果活塞往復(fù)頻次f較小，在阻尼系數(shù)C與f之間未見顯著相關(guān)性，此時，阻尼器中的流體表現(xiàn)出顯著的粘滯特性[41].基于主要以剪切變形的結(jié)構(gòu)，將阻尼器與支撐串聯(lián)布置，從單自由度體系推廣到多自由度體系，將阻尼器的支撐剛度與阻尼系數(shù)結(jié)合起來，找出了兩者之間的相互關(guān)系[42].針對支撐構(gòu)件具有一定的彈性會減小粘滯阻尼器的減震效果的問題.有學(xué)者繪制出支撐構(gòu)件剛度與附加阻尼關(guān)聯(lián)曲線，表明在合理控制支撐剛度的情況下耗能效率能夠達(dá)到95%[43].為了解決設(shè)計中阻尼器支撐構(gòu)件剛度選擇問題，研究者利用動力學(xué)方法系統(tǒng)研究了不同類型的鋼支撐對阻尼器工作效率的影響，闡明了兩者之間關(guān)系的特征[44].

附加等效阻尼比的大小直接關(guān)系到減震結(jié)構(gòu)對地震的響應(yīng)，是消能減震研究中的一個熱點問題，有學(xué)者對此進(jìn)行了較多報道.基于一棟15層建筑安置粘滯阻尼墻進(jìn)行分析，研究者發(fā)現(xiàn)其能夠提供20%～32%的阻尼比，可使結(jié)構(gòu)降低70% ～80%的地震響應(yīng)[45].在設(shè)置了非線性粘滯阻尼器的單自由度體系中，有人研究了穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在強迫振動和地震作用下所產(chǎn)生的動力響應(yīng).成功實現(xiàn)由阻尼比及其指數(shù)的非線性度來描述能耗力，并建立阻尼系數(shù)的非線性與線性的換算方法.指出，當(dāng)結(jié)構(gòu)附加阻尼比為5%時，結(jié)構(gòu)位移減少25%；為30%時，位移減少達(dá)到60%[46].還有學(xué)者基于保持特征值不變的前提下，根據(jù)耗能器的影響對構(gòu)件的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行修正，使得線性分析方法在一定精度范圍內(nèi)仍然適用，進(jìn)而近似計算得出附加等效阻尼比[47].圍繞附加等效阻尼比的估計問題，有研究者采用多種算法進(jìn)行比較篩選，如嘗試2種不同算法(自由振動衰減、減震系數(shù))與規(guī)范算法比較，認(rèn)為，第一種方法與規(guī)范法結(jié)果較一致[48-49].還有研究者提出了一種采用通過分析結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進(jìn)而得到減震系數(shù)再通過該系數(shù)來刻畫耗能減震效果的方法，并通過分析布置了阻尼器的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，確定了該方法得到地震響應(yīng)的準(zhǔn)確性[50].研究者通過估算結(jié)構(gòu)的附加等效阻尼比，再將阻尼器布置調(diào)整與調(diào)整后結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行交互迭代，由此提出一種用于確定阻尼器優(yōu)化布置的循環(huán)搜尋方法[51].

粘滯阻尼器還廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的抗震加固工程，在這方面的研究也有較多報道.有學(xué)者針對一幢10層鋼筋混凝土粘滯阻尼墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固設(shè)計，模型振動臺試驗、數(shù)值計算驗證了阻尼墻能夠有效增大結(jié)構(gòu)的阻尼，框架模型第一階振型的阻尼比由1.4%增至約17%，阻尼墻同時使結(jié)構(gòu)的剛度增大10%～30%，并改變其共振反應(yīng)[52].基于優(yōu)化算法，研究者提出一種新的粘滯阻尼器性能優(yōu)化抗震改造方法.將各尺寸組阻尼器的阻尼系數(shù)作為連續(xù)變量，針對每個可能的位置，只要該處有阻尼器，則按最優(yōu)方法分配單個尺寸組的阻尼器.所推導(dǎo)的公式能夠提高實際工程中阻尼器優(yōu)化設(shè)計水平[53].另一項研究是針對三維不規(guī)則建筑抗震加固設(shè)計的優(yōu)化，研究者采用粘性阻尼器的阻尼系數(shù)和支撐剛度作為設(shè)計變量，將阻尼器的成本函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)并最小化，約束條件包括層間位移、總加速度、阻尼器力、支撐應(yīng)力、構(gòu)件力、基底剪力、基底傾覆力矩、阻尼器力約束、支撐橫截面?zhèn)认蚣s束等.發(fā)現(xiàn)，支撐強度比剛度更為重要.當(dāng)支撐在最大可信地震(MCE)水平下保持彈性時，剛度不起重要作用.但支撐屈服應(yīng)力較大時，呈現(xiàn)出剛度的重要性[54].為了利用粘滯流體阻尼器進(jìn)行抗震加固設(shè)計，在框架結(jié)構(gòu)外圍層間位移約束下，設(shè)計者采用一種最小化的加固成本函數(shù).該函數(shù)的構(gòu)成與阻尼器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān).采用連續(xù)變量非線性規(guī)劃法求解，將材料插值技術(shù)進(jìn)行拓?fù)浜投嗖牧蟽?yōu)化，并與遺傳算法結(jié)果比較.表明，兩種算法收斂于相同位置相似阻尼器尺寸情況下的解，所建立的公式和算法可以為粘滯阻尼器抗震加固設(shè)計提供有效框架[55].還有學(xué)者提出一種利用非線性流體粘滯阻尼器實現(xiàn)抗震改造最低成本設(shè)計的方法，采用優(yōu)化算法設(shè)計阻尼器的阻尼系數(shù)和支撐的剛度系數(shù).成本函數(shù)考慮了與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和阻尼器大小相關(guān)的成本.采用麥克斯韋模型定義各阻尼器支撐單元的特性和非線性阻尼器的力-速度關(guān)系.分析表明，該方法可以應(yīng)用于抗震改造三維不規(guī)則結(jié)構(gòu)設(shè)計[56].

2.2.2 粘彈性阻尼器

粘彈性阻尼器出力與位移滯回曲線近似橢圓，較小振動也能耗能，耗能能力強、靈敏度高、性能穩(wěn)定、構(gòu)造簡單、性價比高[57].粘彈性材料是一些具有彈性和粘性雙重特性的高分子聚合物，將其作為阻尼器來耗能的方法有3種:①直接將粘彈性材料層固定到結(jié)構(gòu)中發(fā)生振動的構(gòu)件上；②通過在粘彈性材料層上設(shè)置另一種剛性材料形成約束層；③將粘彈性材料平行于兩個構(gòu)件相對運動方向進(jìn)行布置，使其以剪切性變形為主[58].國外學(xué)者利用溫度-頻率疊加原理描述溫度對動態(tài)特性的影響，以近似方法求解動態(tài)特性確定的非線性特征值問題.通過兩個算例驗證了該方法的正確性和有效性[59].傳統(tǒng)粘彈性阻尼器裝置采用高阻尼彈性墊，其滯回荷載-變形特性受控于彈性材料循環(huán)剪切變形.針對這一問題，有學(xué)者提出一種新型的預(yù)壓縮部分粘彈性阻尼器，采用纖維增強粘彈性墊，部分粘彈性墊與減振器的內(nèi)外鋼板結(jié)合.對一組不同幾何構(gòu)型的全尺寸原型阻尼器進(jìn)行循環(huán)剪切試驗，結(jié)果表明，預(yù)壓應(yīng)力增加了粘彈性材料的固有阻尼.纖維增強層提供了額外的能量耗散來源[60].

2.3 復(fù)合型阻尼器研究

將不同類型的阻尼元件根據(jù)不同的實際工程需要進(jìn)行合理的組合，這就構(gòu)成了復(fù)合型阻尼器，這類阻尼器比普通單一機制阻尼器具有更大耗能能力和適應(yīng)范圍.這類阻尼器的特點是可以由多個分支阻尼器協(xié)同耗能，并且在同一個阻尼器中，采用多種不同機制進(jìn)行耗能.同時，具備多層次消能方案并配備實時監(jiān)測系統(tǒng)以及具備很強的自適應(yīng)能力[61].美國較早采用基礎(chǔ)隔震和粘滯阻尼器聯(lián)合設(shè)計的方式來提高建筑的抗震能力[62].隨后，研究者又分別研制出金屬圓環(huán)-摩擦復(fù)合耗能器、鉛粘彈性復(fù)合耗能器、鋼管鉛芯耗能器、超塑性合金筒耗能器和鉛粘彈性阻尼筒耗能器等多種復(fù)合型阻尼器[63].將各種智能材料與傳統(tǒng)的阻尼器進(jìn)行組合就得到了具有一定自動化特性的阻尼器.智能材料由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成(如壓電、電磁材料)，具有傳感、反饋、信息識別、響應(yīng)、自診斷、自修復(fù)和自適應(yīng)能力.我國學(xué)者綜合智能壓電材料和摩擦耗能器的特點，基于性能試驗和數(shù)值分析開發(fā)出基于壓電控制的新型阻尼器[64].還有學(xué)者研發(fā)一款多功能阻尼器，利用形狀記憶合金(shape memory alloys，SMA)的初始形狀記憶特性同時實現(xiàn)了良好的耗能效果及自復(fù)位功能[65].研究者指出，合金材料的超彈性的本構(gòu)關(guān)系會表現(xiàn)出非線性特征[66].基于SMA材料開發(fā)的阻尼器能夠顯著增強結(jié)構(gòu)的耗能效果，提高框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的衰減率[67].有學(xué)者設(shè)計一款新型自復(fù)位變形增強形狀記憶合金阻尼器，可根據(jù)實際需要放大位移變形，充分發(fā)揮超彈性形狀記憶合金材料的耗能能力.通過循環(huán)拉壓試驗分析位移量和加載速率對阻尼器力學(xué)性能的影響.提出一種能夠精確模擬滯回特性的合金阻尼器理論模型.對一幢6層鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時程分析，表明，合金阻尼器不僅能有效地減小位移、加速度和層間位移響應(yīng)，還能通過增大建筑結(jié)構(gòu)的相對撓度來提供良好的自復(fù)位性能[68].一種“自復(fù)位負(fù)剛度”阻尼器的設(shè)計思路是將超彈性形狀記憶合金(HSMA)與預(yù)壓彈簧結(jié)合起來.研究者對其剛度和復(fù)位特點進(jìn)行了檢測，結(jié)果顯示，由于該彈簧產(chǎn)生負(fù)剛度，使阻尼的等效阻尼比得到提高；同時，結(jié)構(gòu)受振動產(chǎn)生的加速度和位移峰值得到顯著降低[69].在加設(shè)阻尼器的支撐體系中，因阻尼器通常被設(shè)計成承受集中力和變形，在強震后易受損需更換.研究者因此提出采用新型HSM阻尼器來部分恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)，以降低維修成本.新支撐構(gòu)件中仍然集成用于改善因金屬屈服而產(chǎn)生能量耗散的傳統(tǒng)鋼阻尼器.循環(huán)加載試驗再現(xiàn)了該支撐體系的受力性能，表明在加載速度較快情形下，該支撐-阻尼器系統(tǒng)的抗剪強度比在靜荷載作用下更為有效[70].為了研究地震作用下超彈性粘滯阻尼器鋼結(jié)構(gòu)建筑的余震倒塌性能.這種阻尼器將形狀記憶合金電纜和粘彈性混合材料巧妙地結(jié)合在一起，以提供良好的自復(fù)位和阻尼能力.研究者設(shè)計了一種帶和不帶該阻尼器的9層鋼結(jié)構(gòu)特殊抗彎框架.采用共10個地震記錄序列，對這兩種框架進(jìn)行了主震和余震增量動力分析.建立了兩種框架在不同的主震損傷水平下的最大層間位移和殘余位移增量動力分析曲線.分析余震倒塌能力、倒塌脆弱性和拆除時的倒塌能力.研究表明，當(dāng)主震發(fā)生期間損傷程度較高時，無阻尼器抗彎框架對余震的易損性增加，而阻尼器框架的余震倒塌性能不受主震烈度的影響[71].有人采用脆性分析和壽命周期成本評估相結(jié)合的方法，分析了由鋼縫板阻尼器和兩根形狀記憶合金桿組成的復(fù)合阻尼器的抗震性能.非線性時程模型分析表明，采用復(fù)合阻尼器的框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)明顯小于采用傳統(tǒng)狹縫阻尼器的框架結(jié)構(gòu).研究顯示，這是由于形狀記憶合金棒提供了額外的剛度、能量耗散和復(fù)位能力，而且生命周期成本也比采用傳統(tǒng)的鋼板阻尼器的框架低[72].

3 可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展

近年來，可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點，并已成為地震工程領(lǐng)域新的研究方向.“可恢復(fù)功能抗震社區(qū)”的概念是在2003年，由美國學(xué)者Bruneau等首次提出[73].2009年1月，國際上有學(xué)者提出“可恢復(fù)功能城市”，指出設(shè)計與建造可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)可恢復(fù)功能城市的基本要求.2011年，我國學(xué)者進(jìn)行了可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)新技術(shù)的探討[74].2016年9月，首屆可恢復(fù)功能國際學(xué)術(shù)研討會在意大利都靈召開.在智利圣地亞哥召開的“2017年第16屆世界地震工程大會”，以“可恢復(fù)功能——土木工程的新挑戰(zhàn)”為主題，探討了結(jié)構(gòu)、社區(qū)、城市、社會不同層次可恢復(fù)功能體系的建設(shè)[75].可恢復(fù)功能抗震結(jié)構(gòu)是指地震后不需修復(fù)或者稍加修復(fù)就可恢復(fù)使用功能的結(jié)構(gòu)，具備易建造、易維護、低成本等特征，目前主要有自復(fù)位結(jié)構(gòu)、搖擺結(jié)構(gòu)和帶可更換構(gòu)件的結(jié)構(gòu)[74].

3.1 搖擺結(jié)構(gòu)

搖擺結(jié)構(gòu)是通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的搖擺，將變形集中在搖擺界面上.采用機構(gòu)方式設(shè)計上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)、部分梁與柱的連接構(gòu)造，使結(jié)構(gòu)在地震作用時可進(jìn)行有約束移動，當(dāng)?shù)卣鹜Ｖ箷r再通過具有自復(fù)位功能的附加裝置使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始位置，從而減輕地震的破壞[76].研究者實現(xiàn)了一種新型的鋼框架結(jié)構(gòu)，框架基底可以自由轉(zhuǎn)動，底部與基礎(chǔ)分離，通過布置具有水平分量的彈性拉索確保結(jié)構(gòu)在振動減弱到一定程度之后自動復(fù)位[74].在柔性搖擺結(jié)構(gòu)評估和設(shè)計中，為了解決因為搖擺和振動之間復(fù)雜耦合而難以使用簡單模型進(jìn)行精確預(yù)測的困難，研究者利用半耦合等效模型對剛性地基上多質(zhì)量結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)進(jìn)行了分析.采用自由度耦合搖擺振子和非耦合線性彈性振子來描述搖擺和模態(tài)振動的相互作用，表明，采用新的地面加速度標(biāo)度項，等效模型可以在位移范圍內(nèi)準(zhǔn)確捕獲搖擺響應(yīng)[77].后張拉框架被認(rèn)為是一種無損傷抗震結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)有的抗荷載體系依賴于犧牲屈服構(gòu)件，這些構(gòu)件在強動力作用下不斷累積損傷.為此，一項利用控制屈曲支撐元件避免損傷的新方法被提出，研究者采用數(shù)值分析和有限元分析法探討具有圓弧截面可屈曲復(fù)合支撐單元的彈性屈曲響應(yīng)和單層鋼后張框架在靜、動力作用的特性.表明，在不造成累積損傷前提下，通過提高穩(wěn)定性和顯著減少層間移位及加速度，可以增強搖擺框架的非線性靜力和動力響應(yīng)[78].有學(xué)者利用爆炸引起的快速動態(tài)激勵來揭示了搖擺結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性.方法是基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃蛯嶒灉y試的最佳擬合插值來模擬爆炸作用，以便觀察純搖擺反應(yīng)過程.試驗發(fā)現(xiàn)，相對于滑動和上升，單側(cè)搖擺和翻轉(zhuǎn)是主要的運動機理[79].

3.2 自復(fù)位結(jié)構(gòu)

自復(fù)位結(jié)構(gòu)常常與搖擺結(jié)構(gòu)同時存在于可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)中.有研究者提出一種復(fù)位搖擺墻結(jié)構(gòu)具備消除結(jié)構(gòu)永久變形的功能，使之在地震后可以繼續(xù)使用，從而避免震后被拆除的風(fēng)險[80].有人研發(fā)了一種自復(fù)位鋼梁柱節(jié)點，方法是沿梁軸方向通過給節(jié)點提供預(yù)應(yīng)力，使柱-梁翼緣緊密接觸.鋼絞線受預(yù)應(yīng)力作用，錨固在柱外翼緣，由角鋼將柱與梁的上下翼緣相連接.經(jīng)檢測，這種結(jié)構(gòu)的剛度、強度及延性等性能得到較大幅度提高[81].研究人員發(fā)現(xiàn)，可以利用摩擦阻尼器可以有效增加構(gòu)件連結(jié)部位的耗能能力[82].在鋼筋混凝土墻體制作中，有人應(yīng)用了無粘結(jié)后張拉預(yù)應(yīng)力技術(shù).對其分析發(fā)現(xiàn)，整體型構(gòu)件發(fā)揮了關(guān)鍵作用，從而控制了結(jié)構(gòu)形變使墻體具有自復(fù)位能力[83].研究者對預(yù)制自復(fù)位搖擺墻結(jié)構(gòu)的自復(fù)位性能的擬靜力試驗表明，其反應(yīng)較穩(wěn)定，雖耗能有限，但具有良好的自恢復(fù)性能[84].為了在梁柱界面出現(xiàn)間隙張開后提高剛度和耗能，一種與可變摩擦阻尼器相連接的新型自復(fù)位預(yù)制混凝土梁柱由設(shè)計人員提出.通過設(shè)置隱蔽支撐來增加豎向抗剪能力和施工效率，結(jié)合該阻尼器在不同地震烈度下的二次活化特性進(jìn)行分析，獲得其理論依據(jù).試驗表明，在梁-柱連接中布置可變摩擦阻尼器達(dá)到了預(yù)期的自復(fù)位能力和變剛度滯回性能[85].為了提高現(xiàn)有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，研究者設(shè)計出一種新型帶摩擦裝置的自復(fù)位索撐，并探討其結(jié)構(gòu)形式和理論荷載-位移關(guān)系.對一幢9層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動力分析和抗震加固，并分別采用屈曲約束支撐和自復(fù)位索撐進(jìn)行性能對比，取得加固前后的層間和層間殘余位移、基底剪力、荷載-軸向伸長關(guān)系和自復(fù)位指標(biāo).結(jié)果表明，二者均提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力，但自復(fù)位索撐更顯著地減少最大層間位移和殘余層間位移[86].

3.3 可更換構(gòu)件

該類型結(jié)構(gòu)在設(shè)計階段，基于對地震作用的估計，人為設(shè)置發(fā)生地震時能夠最先破壞且不會導(dǎo)致連續(xù)倒塌的構(gòu)件.在這類構(gòu)件破壞的過程中產(chǎn)生耗能效果并且合理降低結(jié)構(gòu)剛度從而達(dá)到保護主體結(jié)構(gòu)的目的.待地震結(jié)束后，再將破壞構(gòu)件拆除更換，完全恢復(fù)建筑物震前功能[74].為了分析非彈性塔架連接對斜拉橋響應(yīng)的影響，研究者為結(jié)構(gòu)安裝塔間鋼塑鏈，檢測表明，這種帶鏈結(jié)構(gòu)在振動作用下不僅可以有效耗能，其位移和彎矩均得到控制[87].研究者設(shè)計了一種抗震填充墻隔離次框架系統(tǒng)(SIWIS).中震以下荷載，該構(gòu)件可以減少層間位移；大震荷載，即便損壞也可以使填充墻和框架分離，從而免受危害[88].有學(xué)者對抗震填充墻隔離次框架系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究，發(fā)現(xiàn)此類構(gòu)造在結(jié)構(gòu)受到較強水平地震作用的情況可以起到熔斷效果，從而在一定程度上避免抗側(cè)力構(gòu)件發(fā)生破壞[89].同期，還有人提出了一種在混凝土連梁中段設(shè)置便于維修更換的鋼構(gòu)件的組合梁形式.在地震作用下，連梁中部的鋼構(gòu)件先于與其相連的混凝土部分屈服耗能，減少混凝土部分承受的地震作用，同時保證墻體不發(fā)生破壞[90].最近的一項研究是關(guān)于“保險絲”與重力系統(tǒng)的解耦問題.研究者提出了一種用于熔結(jié)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的等效能量設(shè)計方法，允許在不同地震震動強度下選擇不同的性能目標(biāo)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件，經(jīng)過簡單計算就可實現(xiàn)預(yù)期的結(jié)構(gòu)周期、強度和變形.通過一個抗震的熔結(jié)桁框架，驗證了這種設(shè)計方法的有效性和實用性.采用非線性動力分析表明，熔結(jié)桁、框架在多個地震震動烈度下，均具備可供選擇的可控破壞機理和位移[91].針對鋼筋混凝土抗側(cè)力支撐框架的整體抗震設(shè)計參數(shù)進(jìn)行靜力非線性分析，研究人員基于5～25層的框架模型，分析框架-支撐-滯回裝置體系不同的彈性剛度比、滯回裝置與支撐之間的彈性剛度平衡、滯回裝置的不同后屈服剛度比，給出了滯回裝置的整體延性能力和局部位移延性能力之間的關(guān)系[92].

4 結(jié)語

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)消能減震理論和技術(shù)的探索走過了40多年的歷程，研究者圍繞以各類阻尼器和以其為核心單元的消能減振結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建進(jìn)行了不懈努力，在性能分析、參數(shù)優(yōu)化、多功能復(fù)合、布置規(guī)劃、新材料應(yīng)用等多方面不斷涌現(xiàn)出豐碩的創(chuàng)新技術(shù)和應(yīng)用成果，持續(xù)推進(jìn)了結(jié)構(gòu)消能減振技術(shù)的發(fā)展.當(dāng)前，在信息技術(shù)、智能技術(shù)和新材料科學(xué)迅猛發(fā)展背景下，多功能復(fù)合阻尼器的創(chuàng)新研發(fā)，以及構(gòu)建以其為核心構(gòu)件的消能減振結(jié)構(gòu)體系將成為未來的發(fā)展趨勢.更值得關(guān)注的是，隨著可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)理論和技術(shù)的不斷完善，不僅成為結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域中一個嶄新的發(fā)展方向，也必將開辟新的未來.