建筑结构耗能减震技术及阻尼器研究进展

文 龙

(四川省建筑设计研究院有限公司，四川成都 610094)

自20世纪70年代以来，人们不断探索和创新促进了结构消能减震技术的长足发展.尤其最近20年，结构消能减震研究及应用处于崭新的历史时期，有学者指出抗震设计理论发展可分为四个阶段即从静力设计阶段到反应谱设计阶段、动力设计阶段，再到基于性态的振动控制设计理论阶段.上世纪70、80年代结构抗震设计进入到基于性态的振动控制设计理论阶段[1].所谓基于性态设计是指为控制结构应对不同地震强度建立不同的性态水准和指标，从而在地震作用下维持所期望的性态，达到减轻或避免地震危害的目的[2].第四阶段的突出标志是人们将振动控制理论成功引入到结构工程领域，形成了“结构振动控制理论”并获得迅速发展[3]，成为抗震设计史上的一个重要里程碑，是理论的一次重大变革[1].结构振动控制分为被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制[3]，其中被动控制理论和技术的应用使建筑结构具有耗能减震功能强、性能稳定、性价比高等特点，在国际上得到广泛研究和应用.被动控制技术是指在原结构上附设不需要外部输入能量的振动控制装置，从而减轻或避免地震危害的技术.其中的结构消能减震技术因其具有突出的应用优势成为目前国内外研究的主流方向[4].

1 消能减震技术研究现状

1.1 结构消能减震概述

为了更有效地提高结构的抗震性能，研究者提出在设计中采用“柔性耗能”理念来减小结构振动响应，通过调整结构的质量、刚度和阻尼特性来实现预期抗震水平.传统设计以结构构件的塑性损伤为代价，秉持“硬抗”理念，采用优化关键构件的特征几何尺度、放大构件材料强度等措施以提高结构的抗震承载能力.众所周知，地震的发生和作用具有极强的随机性和破坏性，因此，传统设计不仅难于保障建筑结构及生命财产安全，还可能大幅度增加建设成本.二十世纪70年代初，美国学者Yao首次将振动控制理论应用于结构抗震设计，提出消能减震的概念[5].结构消能减震又称耗能减震，其机理是在特定构件的界面连接处安装耗能器，通过耗能器将地震动输入的机械能转化成能够均匀耗散的热能从而使得结构振动响应降低，或者通过新结构中的原结构和附设装置分别作为主结构和子结构联合承担振动作用，从而获得调谐，并将振动反应控制在预期值以内.在采用消能减震方法的情况下，在较低级别地震或风振作用下结构可以获得足够的初始刚度而保持弹性状态；而在较高级别地震或风振作用下，当结构的侧向变形尚未开始变大时，耗能装置就能先于结构进入非弹性状态，从而避免结构的承重构件进入到非弹性状态.

1.2 消能减震结构性能研究

1.2.1 减震作用及影响分析

减震作用分析较为复杂，因为当安装在消能减震结构中的耗能器(阻尼器)工作时，改变了结构阻尼比和结构刚度，从而使结构的动力特性发生了变化.同时由于大多数阻尼器需要在其本身材料进入弹塑性阶段才能发挥出耗能效果或者阻尼器本身材料的应力应变关系即表现为全过程非线弹性，使得本来在目标荷载作用下表现为线弹性的结构动力特性具有了不可忽略的非线性特征.有学者利用基于结构加速度的统计预测数值来计算耗能结构地震作用，再通过基于理论构造的结构速度、位移与减震作用的函数关系以及具体实验数据来修正前者的计算结果，从而提出了联合采用这3个变量来进行结构抗震分析与计算的方法[6].针对消能减震结构对地震作用响应的分析，以耗能器与斜撑串联的协同作用为切入点，就阻尼器刚度、屈服位移和附加阻尼比等不同参数对结构减震结果的影响进行数值计算，取得这些参数的最优取值范围，改善采用线性数值算法的计算精度[7].研究者对消能减震结构非正交阻尼的振型分解反应谱进行分析指出，强振型分解反应谱法具有快速、简便、实用等优点[8]，还对采用非经典阻尼矩阵进行表述的结构动力方程进行研究，提出了控制系统误差法[9].1.2.2 减震结构参数优化分析

消能减震结构参数与减震性能之间存在密切联系，因此参数的优化问题是挖掘结构减震潜力的重要手段.有学者根据消能构件刚度和结构变形指标对抗震设计方法进行优化，并研究了等效阻尼与上述参数的联系[10].还有学者以性价比为分析目的，取得单层框架结构粘弹阻尼器的优化参数[11].针对消能减震结构设计的阻尼比，有研究者分析认为，即使结构阻尼比不是定值，只要保证阻尼矩阵为刚度矩阵和质量矩阵的线性叠加，则仍可采用针对常微分方程的数值解法对动力方程进行求解[12].另一项对多自由度带支撑Maxwell耗能器减震结构的等效阻尼比的研究，学者构建了耗能结构一般微分和积分混合地震响应方程组[13].还有研究者针对非线性调谐质量耗能器及隔震系统的粘滞阻尼比等进行研究，获得该耗能器的最佳设计方法和隔震系统的最佳粘滞阻尼比[14].

1.2.3 耗能器位置优化

在消能减震结构中，耗能器在结构中的安装位置的优化问题是影响结构减震性能和成本的另一重要因素.有学者采用最少的耗能器数量能够使结构体系达到预期减震性能，通过遗传算法分析取得结构处于线性阶段时耗能器的最优尺寸和最优位置，获得最优减震效果[15].通过不同阻尼器布置方案在结构最大层间位移角发生部位逐个布置阻尼器并重新对增加阻尼器后的结构进行振动分析，从而形成一种简易的序列搜寻法[16].关于耗能器在结构中分布位置的优化问题，有人以3个无量纲变量即:位移量、位移加速度、层间位移角度三者最大值之间两两比值为对象，应用遗传算法对5组布置方案进行了比较，从而获得最优方案[17].也有人采用另一技术来解决布置优化问题，他们通过耗能器参数随机最优控制的方法进行同步优化，结果显示，受控结构反应在层间分布更为均衡，不仅取得较理想的综合耗能效果，还降低了成本[18].还有研究者对比耗能器的5种优化布置技术，对线性耗能器和非线性耗能器均进行了时程分析，取得最大层间位移、绝对加速度和结构残余位移优化结果[19].同时，对多层钢框架结构进行研究，得出基于底层剪力的阻尼器优化设计方法[20].研究人员针对超高层结构耗能器的合理布置方法进行分析，得出楼层相对位移速度应为最优先控制的变量的结论[21].有学者基于遗传算法对耗能器布置变化对结构动力特性改变的原因进行研究，得出不同的设计地震加速度取值对耗能器最合理布置方案的影响要远大于不同结构之间的自身动力特性的差异[22].还采用能量法研究双向均对称结构，实现了线性耗能器分布位置的优化[23].研究者比较了耗能器布置方式对于不同形式的伸臂桁架的影响，表明尽管斜撑耗能器效率高于竖向耗能器，但通常后者表现为最合理布置[24].

2 建筑结构阻尼器研究进展

阻尼器又称耗能器，是一种提供运动阻力，耗散运动能量的装置.较早利用阻尼器来消能减震是在航天、航空、汽车制造等领域，上世纪70年代开始将阻尼器应用于建筑结构抗震工程.根据阻尼器工作原理不同可分为3种基本类型:与位移相关联的阻尼器、与速度相关联的阻尼器和复合型阻尼器.

2.1 位移型阻尼器

位移相关联的阻尼器简称位移型阻尼器，又分为金属阻尼器和摩擦阻尼器，其耗能能力主要与位移相关，位移越大，耗能能力越强[25].这类阻尼器的位移滞回曲线为典型的双线型，能够增加结构的刚度，缩短自振周期，是能够良好控制结构位移的阻尼装置.

2.1.1 金属阻尼器

金属阻尼器是耗能装置的一种类型，原理是通过材料塑性变形来转换能量[25]，具有工作性能稳定、持久性好、构造简单、易于维护等特点.制作材料一般有软钢、低屈服点钢、铅等金属.类型一般有软钢阻尼器、铅阻尼器和形状记忆合金阻尼器等.

1972年，研究者开始在消能减震结构中安装金属阻尼器来耗散地震输入能，并进行系统的理论和应用研究[26].金属铅延性好并且具有较高的疲劳强度，因此研究者研发出各种类型的铅阻尼器[27].针对结构薄弱层设计，研究者将两种金属屈服阻尼器(双X形和单圆孔形)与钢支撑连接构成消能支撑体系.给出了消能支撑参数的设计方法，并解决了消能支撑与框架梁之间的节点连接问题[28].有学者设计一种具有竖向耗能能力的抗倾覆钢铅组合阻尼器，试验表明，该阻尼器能够使钢铅两种材料协同作用共同耗能，制作简单，位移小，阻尼大，耗能稳定.并给出了阻尼器力学性能和恢复力模型[29].还分析金属阻尼器在高层建筑中的耗能减震效果及其弹塑性反应、结构自振周期和振型、层间位移角曲线，显示，该阻尼器耗能特性较好、层间位移角减小、墙与连梁的破坏程度有所降低[30].另一项试验，采用一种基于形状优化框架的方法来提高结构在循环荷载作用下的抗震耗能和变形能力.研究者将U型钢阻尼器的直线部分、厚度和高度作为优化问题的设计变量，通过最大化塑性变形耗能与最大等效塑性应变之比进行优化.在找到阻尼器最优形状后，对其耗能能力和变形能力进行评估，结果表明，与现有的优化方法相比，这种优化阻尼器形状的方法能够显著提高结构的耗能能力和变形能力[31].针对一般总自复位系统的屈服先于金属阻尼器，而当采用低屈服点钢作为金属阻尼器材料时，其屈服时间可能早于总自复位系统，而由于不同的滞回特性，后一种屈服通常会导致对位移和强度的要求降低这一现象.研究者分析这两种屈服的非线性位移比谱，表明，大多数关键参数对非线性位移比谱的影响趋势与前人研究一致，但部分参数对这两种屈服现象有相反的影响.对其修正后显示，金属阻尼器屈服的修正关系比总自复位系统有更好的预测效果[32].

2.1.2 摩擦阻尼器

摩擦阻尼器的原理是通过两个可以发生相对运动的器件进行摩擦耗能，具有耗能强、构造简单、取材容易、性价比高等特点.国外学者基于不同的摩擦面、构件材料以及阻尼器连结约束构造设计出多种阻尼器.从同时对摩擦阻尼器恢复力模型的特点进行分析，获得理想典型模型和等效线性化方法[33].根据向心式变摩擦阻尼器的原理及其力学性能，有学者探讨安装该阻尼器的结构在自由振动和强迫振动时的动力特性和动力反应特点，揭示该阻尼器引起结构抖振的机理，分析该消能减振结构的地震反应阻尼器参数对结构动力特性及地震反应的影响，给出了受控结构的非线性反应谱[34].随后，设计者基于性价比原则，研发出用于钢筋混凝土支撑的钢板-橡胶摩擦耗能器[35].

2.2 速度型阻尼器

阻尼与相对运动速度构成线性函数关系的阻尼器可以称为速度相关阻尼器，具体有粘弹性和粘滞性两种.特点:耗能能力与速度大小相关，变形速度越快，阻尼力越大；不能改变结构的周期，但能够增加结构的阻尼，在地震作用下能够减小结构基底剪力及层间位移[36].

2.2.1 粘滞阻尼器

粘滞阻尼器又叫粘滞流体阻尼器，是利用粘滞液体的运动，通过孔隙或间隙，将流体动能转化为热能，从而消耗地震能量的一种装置.该类阻尼器的性能受到激振频率、相对速度、外界温度等因素的影响，具有滞回曲线椭圆饱满，耗能能力强等特点.流体介质主要有液压油、有机硅油、硅基胶、特种悬浊液等[37].根据阻尼力产生的原理不同可以分为缸式、圆筒式[38].

针对粘滞阻尼器工作机理及性能，国内外学者开展了许多研究.针对粘滞阻尼器出力与速度的关系，国外研究者通过实验得出阻尼器出力大小与速度和位移乘积的比值介于0.30～0.75之间[39].而我国学者针对不同类型粘滞流体材料的特性和油缸间隙式粘滞耗能器性能的研究发现，该比值介于0.79～0.87之间[40].另一项针对粘滞阻尼器的耗能机理、流体材料、热力学性质等的研究揭示:阻尼器作用力F与活塞杆运动速度v和n次幂呈线性关系；如果活塞往复频次f较小，在阻尼系数C与f之间未见显著相关性，此时，阻尼器中的流体表现出显著的粘滞特性[41].基于主要以剪切变形的结构，将阻尼器与支撑串联布置，从单自由度体系推广到多自由度体系，将阻尼器的支撑刚度与阻尼系数结合起来，找出了两者之间的相互关系[42].针对支撑构件具有一定的弹性会减小粘滞阻尼器的减震效果的问题.有学者绘制出支撑构件刚度与附加阻尼关联曲线，表明在合理控制支撑刚度的情况下耗能效率能够达到95%[43].为了解决设计中阻尼器支撑构件刚度选择问题，研究者利用动力学方法系统研究了不同类型的钢支撑对阻尼器工作效率的影响，阐明了两者之间关系的特征[44].

附加等效阻尼比的大小直接关系到减震结构对地震的响应，是消能减震研究中的一个热点问题，有学者对此进行了较多报道.基于一栋15层建筑安置粘滞阻尼墙进行分析，研究者发现其能够提供20%～32%的阻尼比，可使结构降低70% ～80%的地震响应[45].在设置了非线性粘滞阻尼器的单自由度体系中，有人研究了稳态结构在强迫振动和地震作用下所产生的动力响应.成功实现由阻尼比及其指数的非线性度来描述能耗力，并建立阻尼系数的非线性与线性的换算方法.指出，当结构附加阻尼比为5%时，结构位移减少25%；为30%时，位移减少达到60%[46].还有学者基于保持特征值不变的前提下，根据耗能器的影响对构件的本构关系进行修正，使得线性分析方法在一定精度范围内仍然适用，进而近似计算得出附加等效阻尼比[47].围绕附加等效阻尼比的估计问题，有研究者采用多种算法进行比较筛选，如尝试2种不同算法(自由振动衰减、减震系数)与规范算法比较，认为，第一种方法与规范法结果较一致[48-49].还有研究者提出了一种采用通过分析结构动力响应进而得到减震系数再通过该系数来刻画耗能减震效果的方法，并通过分析布置了阻尼器的框架剪力墙结构，确定了该方法得到地震响应的准确性[50].研究者通过估算结构的附加等效阻尼比，再将阻尼器布置调整与调整后结构分析进行交互迭代，由此提出一种用于确定阻尼器优化布置的循环搜寻方法[51].

粘滞阻尼器还广泛应用于结构的抗震加固工程，在这方面的研究也有较多报道.有学者针对一幢10层钢筋混凝土粘滞阻尼墙结构进行抗震加固设计，模型振动台试验、数值计算验证了阻尼墙能够有效增大结构的阻尼，框架模型第一阶振型的阻尼比由1.4%增至约17%，阻尼墙同时使结构的刚度增大10%～30%，并改变其共振反应[52].基于优化算法，研究者提出一种新的粘滞阻尼器性能优化抗震改造方法.将各尺寸组阻尼器的阻尼系数作为连续变量，针对每个可能的位置，只要该处有阻尼器，则按最优方法分配单个尺寸组的阻尼器.所推导的公式能够提高实际工程中阻尼器优化设计水平[53].另一项研究是针对三维不规则建筑抗震加固设计的优化，研究者采用粘性阻尼器的阻尼系数和支撑刚度作为设计变量，将阻尼器的成本函数作为目标函数并最小化，约束条件包括层间位移、总加速度、阻尼器力、支撑应力、构件力、基底剪力、基底倾覆力矩、阻尼器力约束、支撑横截面侧向约束等.发现，支撑强度比刚度更为重要.当支撑在最大可信地震(MCE)水平下保持弹性时，刚度不起重要作用.但支撑屈服应力较大时，呈现出刚度的重要性[54].为了利用粘滞流体阻尼器进行抗震加固设计，在框架结构外围层间位移约束下，设计者采用一种最小化的加固成本函数.该函数的构成与阻尼器的拓扑结构和尺寸有关.采用连续变量非线性规划法求解，将材料插值技术进行拓扑和多材料优化，并与遗传算法结果比较.表明，两种算法收敛于相同位置相似阻尼器尺寸情况下的解，所建立的公式和算法可以为粘滞阻尼器抗震加固设计提供有效框架[55].还有学者提出一种利用非线性流体粘滞阻尼器实现抗震改造最低成本设计的方法，采用优化算法设计阻尼器的阻尼系数和支撑的刚度系数.成本函数考虑了与拓扑结构和阻尼器大小相关的成本.采用麦克斯韦模型定义各阻尼器支撑单元的特性和非线性阻尼器的力-速度关系.分析表明，该方法可以应用于抗震改造三维不规则结构设计[56].

2.2.2 粘弹性阻尼器

粘弹性阻尼器出力与位移滞回曲线近似椭圆，较小振动也能耗能，耗能能力强、灵敏度高、性能稳定、构造简单、性价比高[57].粘弹性材料是一些具有弹性和粘性双重特性的高分子聚合物，将其作为阻尼器来耗能的方法有3种:①直接将粘弹性材料层固定到结构中发生振动的构件上；②通过在粘弹性材料层上设置另一种刚性材料形成约束层；③将粘弹性材料平行于两个构件相对运动方向进行布置，使其以剪切性变形为主[58].国外学者利用温度-频率叠加原理描述温度对动态特性的影响，以近似方法求解动态特性确定的非线性特征值问题.通过两个算例验证了该方法的正确性和有效性[59].传统粘弹性阻尼器装置采用高阻尼弹性垫，其滞回荷载-变形特性受控于弹性材料循环剪切变形.针对这一问题，有学者提出一种新型的预压缩部分粘弹性阻尼器，采用纤维增强粘弹性垫，部分粘弹性垫与减振器的内外钢板结合.对一组不同几何构型的全尺寸原型阻尼器进行循环剪切试验，结果表明，预压应力增加了粘弹性材料的固有阻尼.纤维增强层提供了额外的能量耗散来源[60].

2.3 复合型阻尼器研究

将不同类型的阻尼元件根据不同的实际工程需要进行合理的组合，这就构成了复合型阻尼器，这类阻尼器比普通单一机制阻尼器具有更大耗能能力和适应范围.这类阻尼器的特点是可以由多个分支阻尼器协同耗能，并且在同一个阻尼器中，采用多种不同机制进行耗能.同时，具备多层次消能方案并配备实时监测系统以及具备很强的自适应能力[61].美国较早采用基础隔震和粘滞阻尼器联合设计的方式来提高建筑的抗震能力[62].随后，研究者又分别研制出金属圆环-摩擦复合耗能器、铅粘弹性复合耗能器、钢管铅芯耗能器、超塑性合金筒耗能器和铅粘弹性阻尼筒耗能器等多种复合型阻尼器[63].将各种智能材料与传统的阻尼器进行组合就得到了具有一定自动化特性的阻尼器.智能材料由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成(如压电、电磁材料)，具有传感、反馈、信息识别、响应、自诊断、自修复和自适应能力.我国学者综合智能压电材料和摩擦耗能器的特点，基于性能试验和数值分析开发出基于压电控制的新型阻尼器[64].还有学者研发一款多功能阻尼器，利用形状记忆合金(shape memory alloys，SMA)的初始形状记忆特性同时实现了良好的耗能效果及自复位功能[65].研究者指出，合金材料的超弹性的本构关系会表现出非线性特征[66].基于SMA材料开发的阻尼器能够显著增强结构的耗能效果，提高框架结构在地震作用下的衰减率[67].有学者设计一款新型自复位变形增强形状记忆合金阻尼器，可根据实际需要放大位移变形，充分发挥超弹性形状记忆合金材料的耗能能力.通过循环拉压试验分析位移量和加载速率对阻尼器力学性能的影响.提出一种能够精确模拟滞回特性的合金阻尼器理论模型.对一幢6层钢架结构进行非线性时程分析，表明，合金阻尼器不仅能有效地减小位移、加速度和层间位移响应，还能通过增大建筑结构的相对挠度来提供良好的自复位性能[68].一种“自复位负刚度”阻尼器的设计思路是将超弹性形状记忆合金(HSMA)与预压弹簧结合起来.研究者对其刚度和复位特点进行了检测，结果显示，由于该弹簧产生负刚度，使阻尼的等效阻尼比得到提高；同时，结构受振动产生的加速度和位移峰值得到显著降低[69].在加设阻尼器的支撑体系中，因阻尼器通常被设计成承受集中力和变形，在强震后易受损需更换.研究者因此提出采用新型HSM阻尼器来部分恢复原有结构，以降低维修成本.新支撑构件中仍然集成用于改善因金属屈服而产生能量耗散的传统钢阻尼器.循环加载试验再现了该支撑体系的受力性能，表明在加载速度较快情形下，该支撑-阻尼器系统的抗剪强度比在静荷载作用下更为有效[70].为了研究地震作用下超弹性粘滞阻尼器钢结构建筑的余震倒塌性能.这种阻尼器将形状记忆合金电缆和粘弹性混合材料巧妙地结合在一起，以提供良好的自复位和阻尼能力.研究者设计了一种带和不带该阻尼器的9层钢结构特殊抗弯框架.采用共10个地震记录序列，对这两种框架进行了主震和余震增量动力分析.建立了两种框架在不同的主震损伤水平下的最大层间位移和残余位移增量动力分析曲线.分析余震倒塌能力、倒塌脆弱性和拆除时的倒塌能力.研究表明，当主震发生期间损伤程度较高时，无阻尼器抗弯框架对余震的易损性增加，而阻尼器框架的余震倒塌性能不受主震烈度的影响[71].有人采用脆性分析和寿命周期成本评估相结合的方法，分析了由钢缝板阻尼器和两根形状记忆合金杆组成的复合阻尼器的抗震性能.非线性时程模型分析表明，采用复合阻尼器的框架结构的地震反应明显小于采用传统狭缝阻尼器的框架结构.研究显示，这是由于形状记忆合金棒提供了额外的刚度、能量耗散和复位能力，而且生命周期成本也比采用传统的钢板阻尼器的框架低[72].

3 可恢复功能结构研究进展

近年来，可恢复功能抗震结构已经成为国际学术界关注的热点，并已成为地震工程领域新的研究方向.“可恢复功能抗震社区”的概念是在2003年，由美国学者Bruneau等首次提出[73].2009年1月，国际上有学者提出“可恢复功能城市”，指出设计与建造可恢复功能抗震结构是实现可恢复功能城市的基本要求.2011年，我国学者进行了可恢复功能结构新技术的探讨[74].2016年9月，首届可恢复功能国际学术研讨会在意大利都灵召开.在智利圣地亚哥召开的“2017年第16届世界地震工程大会”，以“可恢复功能——土木工程的新挑战”为主题，探讨了结构、社区、城市、社会不同层次可恢复功能体系的建设[75].可恢复功能抗震结构是指地震后不需修复或者稍加修复就可恢复使用功能的结构，具备易建造、易维护、低成本等特征，目前主要有自复位结构、摇摆结构和带可更换构件的结构[74].

3.1 摇摆结构

摇摆结构是通过结构构件的摇摆，将变形集中在摇摆界面上.采用机构方式设计上部结构与基础、部分梁与柱的连接构造，使结构在地震作用时可进行有约束移动，当地震停止时再通过具有自复位功能的附加装置使结构恢复到初始位置，从而减轻地震的破坏[76].研究者实现了一种新型的钢框架结构，框架基底可以自由转动，底部与基础分离，通过布置具有水平分量的弹性拉索确保结构在振动减弱到一定程度之后自动复位[74].在柔性摇摆结构评估和设计中，为了解决因为摇摆和振动之间复杂耦合而难以使用简单模型进行精确预测的困难，研究者利用半耦合等效模型对刚性地基上多质量结构的动力响应进行了分析.采用自由度耦合摇摆振子和非耦合线性弹性振子来描述摇摆和模态振动的相互作用，表明，采用新的地面加速度标度项，等效模型可以在位移范围内准确捕获摇摆响应[77].后张拉框架被认为是一种无损伤抗震结构，而现有的抗荷载体系依赖于牺牲屈服构件，这些构件在强动力作用下不断累积损伤.为此，一项利用控制屈曲支撑元件避免损伤的新方法被提出，研究者采用数值分析和有限元分析法探讨具有圆弧截面可屈曲复合支撑单元的弹性屈曲响应和单层钢后张框架在静、动力作用的特性.表明，在不造成累积损伤前提下，通过提高稳定性和显著减少层间移位及加速度，可以增强摇摆框架的非线性静力和动力响应[78].有学者利用爆炸引起的快速动态激励来揭示了摇摆结构的动力学特性.方法是基于经验模型和实验测试的最佳拟合插值来模拟爆炸作用，以便观察纯摇摆反应过程.试验发现，相对于滑动和上升，单侧摇摆和翻转是主要的运动机理[79].

3.2 自复位结构

自复位结构常常与摇摆结构同时存在于可恢复功能结构中.有研究者提出一种复位摇摆墙结构具备消除结构永久变形的功能，使之在地震后可以继续使用，从而避免震后被拆除的风险[80].有人研发了一种自复位钢梁柱节点，方法是沿梁轴方向通过给节点提供预应力，使柱-梁翼缘紧密接触.钢绞线受预应力作用，锚固在柱外翼缘，由角钢将柱与梁的上下翼缘相连接.经检测，这种结构的刚度、强度及延性等性能得到较大幅度提高[81].研究人员发现，可以利用摩擦阻尼器可以有效增加构件连结部位的耗能能力[82].在钢筋混凝土墙体制作中，有人应用了无粘结后张拉预应力技术.对其分析发现，整体型构件发挥了关键作用，从而控制了结构形变使墙体具有自复位能力[83].研究者对预制自复位摇摆墙结构的自复位性能的拟静力试验表明，其反应较稳定，虽耗能有限，但具有良好的自恢复性能[84].为了在梁柱界面出现间隙张开后提高刚度和耗能，一种与可变摩擦阻尼器相连接的新型自复位预制混凝土梁柱由设计人员提出.通过设置隐蔽支撑来增加竖向抗剪能力和施工效率，结合该阻尼器在不同地震烈度下的二次活化特性进行分析，获得其理论依据.试验表明，在梁-柱连接中布置可变摩擦阻尼器达到了预期的自复位能力和变刚度滞回性能[85].为了提高现有钢筋混凝土框架结构的抗震性能，研究者设计出一种新型带摩擦装置的自复位索撑，并探讨其结构形式和理论荷载-位移关系.对一幢9层钢筋混凝土框架结构进行非线性动力分析和抗震加固，并分别采用屈曲约束支撑和自复位索撑进行性能对比，取得加固前后的层间和层间残余位移、基底剪力、荷载-轴向伸长关系和自复位指标.结果表明，二者均提高了结构的抗震能力，但自复位索撑更显著地减少最大层间位移和残余层间位移[86].

3.3 可更换构件

该类型结构在设计阶段，基于对地震作用的估计，人为设置发生地震时能够最先破坏且不会导致连续倒塌的构件.在这类构件破坏的过程中产生耗能效果并且合理降低结构刚度从而达到保护主体结构的目的.待地震结束后，再将破坏构件拆除更换，完全恢复建筑物震前功能[74].为了分析非弹性塔架连接对斜拉桥响应的影响，研究者为结构安装塔间钢塑链，检测表明，这种带链结构在振动作用下不仅可以有效耗能，其位移和弯矩均得到控制[87].研究者设计了一种抗震填充墙隔离次框架系统(SIWIS).中震以下荷载，该构件可以减少层间位移；大震荷载，即便损坏也可以使填充墙和框架分离，从而免受危害[88].有学者对抗震填充墙隔离次框架系统进行实验研究，发现此类构造在结构受到较强水平地震作用的情况可以起到熔断效果，从而在一定程度上避免抗侧力构件发生破坏[89].同期，还有人提出了一种在混凝土连梁中段设置便于维修更换的钢构件的组合梁形式.在地震作用下，连梁中部的钢构件先于与其相连的混凝土部分屈服耗能，减少混凝土部分承受的地震作用，同时保证墙体不发生破坏[90].最近的一项研究是关于“保险丝”与重力系统的解耦问题.研究者提出了一种用于熔结结构抗震设计的等效能量设计方法，允许在不同地震震动强度下选择不同的性能目标和结构构件，经过简单计算就可实现预期的结构周期、强度和变形.通过一个抗震的熔结桁框架，验证了这种设计方法的有效性和实用性.采用非线性动力分析表明，熔结桁、框架在多个地震震动烈度下，均具备可供选择的可控破坏机理和位移[91].针对钢筋混凝土抗侧力支撑框架的整体抗震设计参数进行静力非线性分析，研究人员基于5～25层的框架模型，分析框架-支撑-滞回装置体系不同的弹性刚度比、滞回装置与支撑之间的弹性刚度平衡、滞回装置的不同后屈服刚度比，给出了滞回装置的整体延性能力和局部位移延性能力之间的关系[92].

4 结语

现代结构消能减震理论和技术的探索走过了40多年的历程，研究者围绕以各类阻尼器和以其为核心单元的消能减振结构体系构建进行了不懈努力，在性能分析、参数优化、多功能复合、布置规划、新材料应用等多方面不断涌现出丰硕的创新技术和应用成果，持续推进了结构消能减振技术的发展.当前，在信息技术、智能技术和新材料科学迅猛发展背景下，多功能复合阻尼器的创新研发，以及构建以其为核心构件的消能减振结构体系将成为未来的发展趋势.更值得关注的是，随着可恢复功能结构理论和技术的不断完善，不仅成为结构振动控制领域中一个崭新的发展方向，也必将开辟新的未来.