朱宏平，沈文愛，雷 鷹，袁 涌，胡宇航，張 瑩

(1.華中科技大學土木工程與力學學院，武漢 430074；2.廈門大學建筑與土木工程學院，廈門 361005)

自20世紀70年代以來，土木工程結(jié)構(gòu)振動控制研究與工程應用發(fā)展迅速，結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)可分為被動控制系統(tǒng)、半主動控制系統(tǒng)、主動控制系統(tǒng)和混合控制系統(tǒng)四類?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)振動控制系統(tǒng)的應用主要以被動控制為主，包括隔震和消能減振/震兩種形式。在地震、風載等災害荷載作用下，結(jié)構(gòu)被動振動控制系統(tǒng)耗散了大量結(jié)構(gòu)振動能量，是最容易破壞的結(jié)構(gòu)關鍵、敏感部位，在荷載、環(huán)境等多因素長期作用下性能不斷劣化，且自身為各向異性材料、多介質(zhì)耦合，呈現(xiàn)多尺度、多類型損傷特征。因此，研究結(jié)構(gòu)被動振動控制系統(tǒng)性能并開發(fā)自修復、自適應技術(shù)，具有重要的科學與應用價值。

本文以疊層橡膠隔震支座和磁流變阻尼器為對象，對數(shù)據(jù)監(jiān)測與損傷識別、性能演化與可靠性評估、自適應自供能特性三方面的研究現(xiàn)狀分別進行總結(jié)。本文可為地震、風載等災害荷載及復雜環(huán)境作用下被動振動控制系統(tǒng)的安全運營和性能提升提供參考。

1 疊層橡膠隔震系統(tǒng)性能研究現(xiàn)狀

1.1 橡膠隔震系統(tǒng)的周期結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征與損傷識別研究

疊層橡膠隔震支座通常由一層橡膠疊加一層加強鋼板相互交錯經(jīng)特殊工藝粘合壓制成型，其本質(zhì)上可以視作由若干重復子結(jié)構(gòu)通過首尾相接構(gòu)成的鏈狀諧調(diào)周期性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)?？紤]疊層橡膠隔震支座的周期特性，發(fā)展出了多種靜力模型和動力模型。

Chang[1]和Ding等[2]分別采用解析剛度矩陣法和傳遞矩陣法，建立了離散的疊層橡膠支座的線性力學模型。模型的橡膠層采用Haringx理論，鋼板視為剛體，可對具有不同幾何參數(shù)和材料性能的支座進行逐層分析，計算內(nèi)力和位移。Takaoka[3]考慮橡膠層的抗彎剛度和抗剪剛度的非線性特性，建立了一種基于Haringx理論的疊層橡膠支座非線性力學模型，該模型能較好地預測疊層橡膠支座的大變形行為。朱宏平和唐家祥[4]將疊層橡膠隔震支座簡化為帶集中質(zhì)量的有限周期柱模型，運用周期結(jié)構(gòu)原理和導納法分析了在水平地震力作用下疊層橡膠隔震支座的振動傳遞特性。

地震發(fā)生時，隔震支座消耗了大量結(jié)構(gòu)振動能量，是最容易發(fā)生破壞的結(jié)構(gòu)關鍵、薄弱部位。一旦隔震支座早期損傷未能及時發(fā)現(xiàn)而繼續(xù)發(fā)展并積累到一定程度，可能會導致整個結(jié)構(gòu)的突發(fā)性失效，對人民的生命和財產(chǎn)造成災難。因此，對隔震支座進行有效地評估和監(jiān)測，對隔震結(jié)構(gòu)安全運營和科學管養(yǎng)具有重大的意義。

目前隔震支座的評估方式是將待檢測隔震支座拆卸下來，依據(jù)外觀檢查、荷載試驗等對其安全狀態(tài)做出評估。對一些大型的建筑工程來說是一項耗時費力的工作。

鄧蓉[5]以《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準》[6]為依據(jù)，對南昆線東陽溝4號大橋兩聯(lián)2 m×80 m上承連續(xù)鋼桁梁進行評估，以支座轉(zhuǎn)角超過限值評定劣化等級。鑒于目前鮮見適用于支座損傷等級標準評估研究理論，針對新疆地區(qū)支座病害的特點，王建軍等[7]分析了支座損傷劣化機理并提出支座損傷等級評估標準。

鄔曉光等[8]通過對運營的實橋取下來的橡膠支座進行單軸拉伸試驗、雙軸拉伸試驗和平面剪切試驗，得到橋梁支座實際的特性參數(shù)，提出運營板式橡膠支座在局部脫空和剪切變形兩種病害同時作用下的失效標準。Burtscher和Dorfmann[9]根據(jù)橡膠支座壓縮或剪切試驗的應力曲線，確定隔震支座脫層破壞。該方法可用于室內(nèi)試驗測試橡膠支座的性能，但不適用于實際應用中的實時脫層檢測。Casciati和Faravelli[10]對間隔十年的兩個批次的同一型號隔震支座進行振動臺試驗，通過對比發(fā)現(xiàn)橡膠老化導致剪切模量增加。

隨著隔震支座力學模型的完善、傳感技術(shù)的發(fā)展以及參數(shù)識別方法的推進，目前基于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的隔震支座損傷評估也取得了一定的進展。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)可分為局部和整體監(jiān)測技術(shù)兩類。

在局部監(jiān)測技術(shù)中，Kawasaki等[11]采用聲發(fā)射(AE)方法對橡膠支座進行室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，通過比較失效支座和新支座的聲發(fā)射參數(shù)，評估支座的內(nèi)部損傷。

整體監(jiān)測技術(shù)又可分為動態(tài)和靜態(tài)兩類。靜態(tài)技術(shù)包括監(jiān)測靜態(tài)位移、靜態(tài)應變等，在國內(nèi)實際工程中應用較多。廣東科學中心工程[12]應用通用分組無線業(yè)務(GPRS)遠程自動化數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)，對隔震支座進行位移監(jiān)測，并給出預警指標。根據(jù)運營期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，王可怡等[13]證明了隔震支座性能狀態(tài)穩(wěn)定，朱文正和張季超[14]擬合了隔震支座水平位移與溫度的線性關系。杜永峰等[15―17]對某超長基礎隔震建筑結(jié)構(gòu)，建立健康監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測隔震層溫度、隔震支座水平位移以及隔震支座主梁應變，研究溫度變化對隔震支座性能的影響。

動態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要基于人為激勵或者外界環(huán)境激勵，獲取結(jié)構(gòu)的振動響應，如位移、速度、加速度等。在小變形條件下，隔震支座表現(xiàn)為線彈性，針對其剛度的識別作了一定的研究。戰(zhàn)家旺等[18]將受損支座簡化成具有可變剛度的彈簧，利用橋梁在沖擊荷載作用下動力響應，基于靈敏度分析和模型修正方法，診斷既有橋梁橡膠支座脫空或者受力不均病害。Bedon和Morassi[19]對一基礎隔震的后張法混凝土橋的動力特性進行了簡諧振動試驗和有限元分析，通過固有頻率和振型對隔震支座的剛度進行修正。Chisari等[20]應用基于遺傳算法的反演技術(shù)，通過模態(tài)試驗分析提取的固有頻率和振型[19]，結(jié)合靜力試驗數(shù)據(jù)識別了橋梁隔震支座的剛度。

在大變形條件下，隔震支座表現(xiàn)出非線性力學特性。描述其非線性特性的遲滯模型有等效線性模型、雙線性模型、三線性模型、多剪切彈簧模型、Menegotto-Pinto模型以及Bouc-Wen模型等?；谝呀⒌臄?shù)學物理模型，對于橡膠隔震支座非線性特性的識別，有學者做了理論和實驗方面的研究。Nagarajaiah等[21―22]提出一種最小二乘法，根據(jù)基礎隔震建筑在北嶺地震中的響應數(shù)據(jù)，在不同的時間段內(nèi)識別出等效線性系統(tǒng)參數(shù)。Yoshimoto等[23]以系統(tǒng)的橫向剛度、阻尼系數(shù)等時間分段參數(shù)作為損傷指標，采用多輸入多輸出子空間損傷檢測方法對現(xiàn)有的7層基礎隔震建筑進行了損傷識別。Huang等[24―25]對鉛芯橡膠支座(LRB)采用雙線性模型，基于Masing準則，將多值恢復力轉(zhuǎn)化為單值函數(shù)，通過迭代試驗和誤差優(yōu)化程序，分別識別出隔震建筑[24]以及隔震橋梁[25]支座的滯回曲線。

Furukawa等[26]用多剪切彈簧模型對隔震層的恢復力建模，利用預測誤差法對隔震結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)識別研究。Ahn和Chen[27]采用Menegotto-Pinto模型對鉛芯橡膠支座進行建模，采用兩相輸出誤差優(yōu)化算法，對三跨連續(xù)基礎隔震橋梁進行系統(tǒng)識別。根據(jù)間隔四年的兩組實驗數(shù)據(jù)，研究了LRB的老化效應；根據(jù)不同溫度下的兩組實驗數(shù)據(jù)，研究了LRB的溫度效應。由于能夠較好地反映橡膠隔震支座在地震作用下的動力響應，Bouc-Wen模型得到廣泛應用。尹強等[28―29]采用簡化的Bouc-Wen模型分析隔震支座的非線性滯回特性，分別采用序貫非線性最小二乘(SNLSE)方法[28]和擴展卡爾曼濾波(EKF)方法[29]在線地識別隔震支座和上部結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)參數(shù)，判斷結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的時間、部位和損傷程度。為提高算法的時變跟蹤能力，又提出基于遺傳優(yōu)化算法的自適應序貫非線性最小二乘(ASNLSE)方法[30]和基于約束最優(yōu)化算法的自適應擴展卡爾曼濾波(AEKF)方法[31―32]。杜永峰等[33]對上部結(jié)構(gòu)時變參數(shù)及隔震支座時變非線性模型進行小波多尺度展開，將時變問題轉(zhuǎn)化為時不變問題進行最小二乘估計，有效識別上部結(jié)構(gòu)的時變剛度及橡膠支座的非線性特性。趙麗潔等[34]以小波系數(shù)能量比作為衡量隔震支座的非線性狀態(tài)的指標，采用小波多分辨識別算法識別隔震支座的非線性特性及模型參數(shù)。Quaranta等[35]通過粒子群優(yōu)化和微分進化的方法識別高阻尼橡膠支座(HDRB)的參數(shù)位移-力曲線，并參考速度-力曲線對識別過程進行評估。

以上方法中依賴于特定力學模型，而由于隔震支座非線性材料的復雜性以及有效實驗數(shù)據(jù)的有限性，以及材料老化或損傷等因素的影響，建立一個準確的隔震支座非線性數(shù)學模型較為困難?；跀?shù)據(jù)的識別方法則可以解決這一問題。雷鷹等[36―37]以隔震層和上部結(jié)構(gòu)作為整體，將隔震支座出現(xiàn)的非線性視為作用于結(jié)構(gòu)的“附加未知虛擬外力”，通過依次對結(jié)構(gòu)響應進行卡爾曼預測估計和對“附加未知虛擬外力”的最小二乘識別，識別橡膠支座的非線性力。Xu等[38]提出了一種于線性和非線性回歸分析技術(shù)的系統(tǒng)辨識計算方法，研究隔震建筑的線性和非線性結(jié)構(gòu)特性。針對于線性上部結(jié)構(gòu)，通過多重線性回歸分析得到了層剛度和阻尼參數(shù)；針對非線性隔震層，提出了一種基于兩步回歸的識別方法，得到隔震層的彈性剛度、屈服后剛度和屈服位移。該方法適用于各種非線性模型，并且可推廣到非線性上部結(jié)構(gòu)。

1.2 橡膠隔震系統(tǒng)力學性能演化與評估

隔震結(jié)構(gòu)的關鍵部位是隔震系統(tǒng)，因此，橡膠隔震支座性能是整個隔震結(jié)構(gòu)全壽命周期性能變化的主要影響因素。眾所周知，暴露在空氣中的橡膠片會在較短時間內(nèi)發(fā)生物性劣化，其耐久性較差。而橡膠隔震支座中的橡膠片由于避免了與空氣中的氧氣直接接觸，其劣化速度會大幅降低[39]。但已有研究表明，橡膠材料受溫度、空氣及水分等環(huán)境因素影響會發(fā)生表面硬化、裂紋等老化現(xiàn)象[40―41]。加速劣化實驗表明，隨著使用年限的增加，橡膠隔震支座屈服后剛度會大幅增加，水平變形能力明顯下降[41]。隔震支座力學性能的降低必然影響隔震結(jié)構(gòu)在強震作用下的安全性。因此，研究多耦合因素作用下橡膠隔震支座性能演化具有重要的科學與工程應用價值。

服役條件下隔震橡膠支座會存在不同程度的老化現(xiàn)象，其隔震特性也會隨之發(fā)生較大變化。其中，高阻尼橡膠支座老化還會影響其本構(gòu)模型中速率和應變相關性，進而影響其自適應性。已有文獻表明：目前研究集中在橡膠隔震全壽命周期內(nèi)等效剛度及等效阻尼比等特性的測定；沒有發(fā)現(xiàn)其時域范圍內(nèi)自適應性能的研究。關于橡膠材料在使用過程中受到應力松弛、溫度和老化等因素影響而引起性能變化的研究，一般借助溫度試驗箱對橡膠材料或者小尺度橡膠隔震支座進行相應的老化以及溫度性能試驗，然后通過有限元軟件對橡膠隔震支座的時變力學性能進行模擬分析[42―45]。這些研究難以真實反映安裝在實際工程結(jié)構(gòu)中的橡膠隔震支座全壽命周期內(nèi)的性能變化，而且隔震支座試驗都是將其脫離整個結(jié)構(gòu)而單獨進行，缺乏對服役中隔震結(jié)構(gòu)時變特性的研究。

隨著結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展，通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)能獲取隔震支座全壽命周期性能真實變化特征。因此，基于隔震支座監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)識別技術(shù)，厘清正常服役條件下橡膠隔震支座本構(gòu)模型參數(shù)隨溫度變化及材料老化等的時變規(guī)律[46]，從而定量分析隔震系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)時變性能，是一個亟待解決的關鍵科學問題。

1.3 橡膠隔震系統(tǒng)的自適應與自修復技術(shù)

隔震技術(shù)可以延長自振周期、增加結(jié)構(gòu)能量耗散能力，從而降低結(jié)構(gòu)地震響應[47]，主要通過隔震支座實現(xiàn)。根據(jù)支座隔震機理不同，常見的隔震支座可以分為摩擦擺支座、組合式隔震支座和彈性體疊層支座。

摩擦擺支座除具有對地震激勵頻率范圍低敏感性和高穩(wěn)定性等特性外，還可以通過設置圓弧滑動面使其具有自復位功能。摩擦擺支座的主要研究集中在兩個方面：復雜滑動曲面在各類型隔震結(jié)構(gòu)中的自適應隔震性能研究[48―50]和摩擦擺支座隔震本構(gòu)與參數(shù)設計研究[51―52]。

組合式隔震支座通常采用混合型隔震方式[53]，如滑動式彈性體組合支座、摩擦式鋼耗能隔震裝置、分離式隔震體系等[54―56]。組合式隔震裝置主要將支座的豎向承載能力與水平變形耗能能力合并利用。組合式隔震裝置的主要研究集中在水平耗能性能的提升與多級自適應隔震設計。

彈性體疊層支座通過疊層鋼板或者復合板約束彈性體材料平面內(nèi)變形提高豎向承載力，并利用柔軟的彈性體材料獲得支座水平剪切變形能力和變形后自恢復能力。最常見的為橡膠類隔震支座如天然橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座。彈性體疊層支座的研究熱點包括新材料、新構(gòu)造、本構(gòu)模型創(chuàng)新和支座極限狀態(tài)等。概括來說主要集中以下在三個方面：1) 新型高性能材料或智能材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠材料，制造新型功能性疊層支座研究；2) 采用傳統(tǒng)材料代替橡膠或者鋼板，制造低成本、性能穩(wěn)定的隔震裝置試驗研究；3) 考慮復雜外部環(huán)境影響因素或材料強非線性及加載速率相關的本構(gòu)模型理論研究。

在以上三種隔震支座體系中，當屬彈性體疊層隔震支座中的橡膠類支座應用最為廣泛。以下為國內(nèi)外橡膠類隔震支座的新發(fā)展研究綜述。

新型材料在隔震支座上的研究熱點主要有形狀記憶合金(SMA)和磁流變彈性體(MRE)。SMA因具有良好的形狀記憶功能和能量耗散能力，最早由Graesser和Cozzarelli[57]提出使用SMA的特性制作耗能裝置，近年來被諸多學者與疊層橡膠支座組合使用以提高隔震支座的自復位和耗能能力[58―61]。Dezfuli和Alam[58]利用SMA和天然橡膠隔震支座(NRB)組合形成新型隔震支座，重點考慮了SMA記憶合金線交叉聯(lián)接方式在不同支座剪應變情況下的屈服耗能。研究表明，雖然SMA-NRB組合隔震裝置提升了NRB支座的耗能性能。但是形狀記憶合金線大大降低了SMA-NRB的橫向柔韌性，因此，提出了對SMA線施加預應力用于降低記憶合金對耗能裝置水平剛度的影響。Bhuiyan和Alam[59]研究了SMA與高阻尼橡膠支座組合裝置在公路橋梁中的抗震性能。研究結(jié)果表明，通過SMA線纏繞高阻尼隔震支座可對中等地震下的橋梁地震響起到明顯的控制效果。

磁流變彈性體(MRE)因為可以在不同磁場環(huán)境下表現(xiàn)出不同的剛度，因而，成為自適應隔震中的研究熱點。Behrooz等[62―63]提出了一種剛度可變的阻尼型隔震支座，利用MRE隔震支座剛度與電流依賴關系和控制算法進行縮尺試驗，實驗中建筑物振動得到有效控制。Yang等[64―65]提出了利用永磁體材料設計MRE隔震支座。該支座可基于所施加的磁場的方向?qū)崿F(xiàn)正和負剛度變化。Xing等[66]設計并制造了一種應用于橋梁抗震的微型疊層MRE隔震支座，并通過動態(tài)測試和模糊控制實驗證實了其設計的有效性。

利用傳統(tǒng)材料改進新型低成本高性能隔震支座也是研究熱點之一。Li等[67]提出使用高強鋼絲網(wǎng)代替疊層橡膠支座中的鋼板并進行試驗研究，研究表明，該類型支座具有良好豎向承載能力的同時具有較大的有效膠層厚度，水平變形良好，且在剪應變達到220%以上時，支座具有一定程度的翻滾變形以提供水平變形能力。譚平等[68―69]利用不飽和聚酯纖維加強復合材料板代替鋼板制造簡易隔震支座，并進行支座試驗研究、有限元分析和隔震效果分析。雷拓等[70]使用丁腈橡膠(NBR)與溴化丁基橡膠(BIIR)兩種基體橡膠共混，制備了可用于建筑高阻尼隔震支座的NBR/BIIR復合橡膠材料，并對硫化工藝進行研究，制備了具有良好力學性能與耐老化性能的高阻尼橡膠。

除新型支座的發(fā)展，疊層橡膠隔震支座的本構(gòu)模型發(fā)展也是研究熱點之一。Kim等[71]對天然橡膠和鉛芯橡膠支座在熱條件下老化進行了研究。李艷敏等[72―73]針對大量橡膠材料和橡膠支座設計老化和海洋腐蝕試驗，對近海條件下的支座進行老化性能評估，并基于現(xiàn)有Mooney-Rivlin模型推導出老化與海洋腐蝕與橡膠支座本構(gòu)模型中的常數(shù)之間的關系。

袁涌等[74―76]針對超高阻尼支座的強非線性與速率相關性提出了基于改進Zenner模型的復雜本構(gòu)形式，利用實時子結(jié)構(gòu)試驗對本構(gòu)模型進行驗證并對比橋梁結(jié)構(gòu)在幾種常規(guī)支座模型下的響應分析，研究指出了采用復雜精確模型的必要性。

除隔震支座的性能發(fā)展研究，基于性能設計的自適應多級設防隔震設計理論是一個新熱點[77―78]，但是理論的創(chuàng)新還得依靠隔震裝置的創(chuàng)新來實現(xiàn)，自適應隔震支座可分為半主動自適應如磁流變隔震支座[79]、被動自適應隔震支座如多級摩擦擺[80]和被動自適應摩擦型高阻尼隔震支座[81―82]。

近年來，橡膠的自修復技術(shù)得到快速發(fā)展[83]，橡膠自修復技術(shù)對于隔震橡膠支座震后的性能恢復與抵御二次余震有重大意義。王文遠等[83]對天然橡膠進行環(huán)氧化和開環(huán)接枝改性，引入多重氫鍵和懸掛鏈,制備了具有自修復性能的接枝天然橡膠(GENR)，GENR在室溫20.8 ℃和50 ℃下分別修復2 h，修復效率分別達到了50.6%和81.5%。Wu等[84]提出了基于混合共價鍵和可逆鍵以制備一種與天然橡膠同樣堅韌并且可以修復的新型橡膠，該彈性材料可在數(shù)秒內(nèi)常溫無任何外部條件下，力學性能可自動回復到原始狀態(tài)的97%以上，從而防止合成橡膠內(nèi)部遭遇到永久性破壞。但將橡膠的自修復技術(shù)應用于橡膠隔震支座的研究還亟待開展。

2 磁流變減振系統(tǒng)性能研究現(xiàn)狀

2.1 磁流變阻尼器損傷識別

磁流變阻尼器失效主要原因為磁流變液材料劣化和油路密封材料老化。磁流變液在極限服役條件下可能出現(xiàn)板結(jié)、稀化、稠化和溫度穩(wěn)定性差等問題[85]，阻尼器密封材料老化或者疲勞荷載作用，也會導致磁流變液介質(zhì)泄露[86]。除此以外，磁流變阻尼器在與主體結(jié)構(gòu)交互作用中長期往復運動，也容易發(fā)生一些連接部位破壞。通過對已有阻尼器檢測試驗數(shù)據(jù)歸納總結(jié)發(fā)現(xiàn)，上述各類失效破壞在其滯回曲線上體現(xiàn)出不同的特征，如圖1所示。因此，通過磁流變阻尼器滯回曲線特征判斷阻尼器是否損傷及其損傷模式是行之有效的方式。

圖1 磁流變阻尼器失效破壞的典型滯回特征[85―86](細線為正常狀態(tài)，粗線為失效狀態(tài))Fig.1 Typical hysteresis characteristics of failure of magnetorheological damper[85―86](thin line: normal state; thick line: failure state)

雖然國內(nèi)外學者對磁流變阻尼器性能進行了許多研究，發(fā)展了一些參數(shù)化數(shù)學模型，如Bingham粘塑性模型、修正的Bingham粘塑性模型、非線性滯回模型、粘彈-塑性模型、修正的Dahl模型、Bouc-Wen模型等[87―89]。但是，這些簡化模型既難以完整準確體現(xiàn)磁流變阻尼器的復雜動力特性，也不能準確模擬新型磁流變阻尼器的強非線性特性。因此，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)驅(qū)動，研究無模型的磁流變阻尼器的非線性特征十分必要。Masri等[90]發(fā)展了基于數(shù)據(jù)的復雜多自由度遲滯系統(tǒng)無模型診斷方法，Ni等[91]利用遲滯恢復力與結(jié)構(gòu)響應的多值關系，發(fā)現(xiàn)磁流變阻尼器的非線性具有時間記憶功能。許斌等[92―93]研究運用最小二乘法與監(jiān)測數(shù)據(jù)對非線性恢復力進行了診斷，作者也開展了基于結(jié)構(gòu)部分響應對無模型結(jié)構(gòu)非線性的識別[94―95]。然而，一方面，這些方法均采用正交多項式級數(shù)來近似表達阻尼器的非線性特征，在多項式的選擇、多項式級數(shù)的選取等方面均存在主觀判斷，難以真實反映出磁流變阻尼器復雜非線性及時間記憶功能。另一方面，已有磁流變阻尼器試驗研究都是將其脫離整個結(jié)構(gòu)而單獨進行，缺乏對實際結(jié)構(gòu)中服役磁流變阻尼器的非線性特性識別研究。由于磁流變阻尼器各類失效破壞等因素，實際結(jié)構(gòu)中服役的磁流變阻尼特性變化較大。因此，研究基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的磁流變阻尼器滯回曲線特征的無模型識別新方法，具有重要的科學意義和應用前景。

已有研究表明，通過圖像識別可以判定結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的損傷特征和損傷程度。He等[96]采用神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習方法，通過六角螺栓的圖像變化識別螺栓松動情況。Cha等[97]采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡學習332張用佳能單反相機拍攝的高清混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫照片，成功識別梁裂紋。Soukup和Huber-M?rk[98]通過神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習，識別了列車軌道表面裂紋、不平順等損傷。劉宇飛[99]結(jié)合有限元模型修正和圖像深度識別技術(shù)，建立了土木工程結(jié)構(gòu)多尺度損傷識別方法。深度學習是圖像基本特征分析的有力工具，可以快速獲得準確率很高的圖像基本特征。因此，通過監(jiān)測系統(tǒng)自動辨識各時間窗口的磁流變阻尼器滯回曲線圖像，依據(jù)對大量磁流變阻尼器滯回曲線的深度學習，獲得磁流變阻尼器失效的滯回曲線特征，可實現(xiàn)磁流變阻尼器損傷識別。

2.2 磁流變阻尼器的性能演化與自修復技術(shù)

磁流變阻尼器性能主要由磁流變液的力學性能決定。磁流變液是由微米級(1 μm～20 μm)軟磁性顆粒分散于非導磁基液中所形成的懸浮液，因此，可通過外加磁場控制其力學性能[100―102]。軟磁性顆粒通常采用具有極大飽和磁化強度(2.1 T)的羰基鐵粉，基液多采用硅油、聚酯、聚醚和合成碳氫化合物。軟磁性顆粒極易發(fā)生沉淀，是影響磁流變阻尼器力學性能、穩(wěn)定性及長期服役性能的關鍵因素。影響軟磁性顆粒沉淀的因素可概括為顆粒體積分數(shù)、尺寸與體積，基液黏度，固液兩相密度差，以及顆粒與基液相互作用等[103]。已有研究表明：減小顆粒尺寸，增大基液黏度，縮小兩相密度差可以有效提高磁流變液的穩(wěn)定性。在磁流變液中，保持軟磁性顆粒處于懸浮彌散狀態(tài)的驅(qū)動力是微顆粒的布朗運動，顆粒尺寸越小，對分子碰撞力作出的響應越大。此外，減小軟磁性顆粒尺寸，可以縮小其與基液的密度差。因此，采用納米粒徑軟磁性顆粒是解決磁流變液沉淀穩(wěn)定性的有效途徑之一[104―108]。雖然納米顆粒磁流變液穩(wěn)定性得到了極大改善，而且其零場抗剪屈服強度也遠高于微米級顆粒磁流變液，但其外場抗剪屈服強度明顯低于微米顆粒磁流變液[104,107―108]。因此，為了進一步改善磁流變阻尼器長期服役性能和自適應性，亟需研究并開發(fā)具有較高抗剪屈服強度同時具有良好穩(wěn)定性的納米磁流變液。

磁流變阻尼器油路密封橡膠材料的老化是關系磁流變阻尼器長期性能的關鍵因素之一[109―110]。油路密封橡膠材料老化會導致漏油，從而導致磁流變阻尼器失效。因此，磁流變阻尼器油路密封橡膠材料在液體環(huán)境下的性能演化及其自修復技術(shù)是磁流變阻尼器主要的科學問題和工程難題。

磁流變阻尼器性能演化的科學問題主要集中在密封橡膠材料老化與疲勞破壞兩方面的研究。在密封橡膠材料老化方面，Hsuan和Koerner[111]論述了高分子材料在大氣環(huán)境中老化與水環(huán)境中老化的區(qū)別。Le Gac等[112]通過試驗手段，研究了氯丁橡膠在海洋環(huán)境下長期老化性能，揭示了橡膠在水環(huán)境下的老化特性。Patel和Skinner[113]采用熱機械分析儀研究了橡膠材料在不同溫度與濕熱環(huán)境下的永久壓縮變形，并據(jù)此預測了材料的使用壽命。李詠今[114―115]在硫化橡膠材料耐久性能及壽命預測方面做了較為系統(tǒng)的研究，提出了硫化橡膠性能與溫度變化關系的數(shù)學模型，并結(jié)合性能劣化數(shù)學模型分別采用溫度外推法與時間外延法對橡膠應力松弛進行了預測。

在橡膠材料疲勞研究方面，Rivlin和Thomas[116]最早將斷裂力學應用于橡膠材料的疲勞破壞，并定義裂紋每擴展單位面積所釋放的能量為撕裂能。Lake等[117]研究了天然橡膠(NR)和丁苯橡膠(SBR)硫化膠的疲勞裂紋擴展速率與撕裂能的關系曲線，發(fā)現(xiàn)隨著撕裂能的增大，曲線分為4個區(qū)域：臨界撕裂能區(qū)、過渡區(qū)、指數(shù)區(qū)和不穩(wěn)定裂紋增長區(qū)，而且依據(jù)該曲線可以求出疲勞壽命。Devries[118]認為橡膠材料的疲勞破壞主要是由于分子間化學鍵的斷裂，即在周期性應變過程中，應力不斷集中于“弱”鍵處而產(chǎn)生微裂紋。而Beurrot-Borgarino等[119]認為橡膠材料的疲勞破壞主要是由于外力作用下橡膠內(nèi)部缺陷引發(fā)的微裂紋擴展行為。兩種理論均認為：橡膠材料疲勞破壞源于外加因素下材料內(nèi)部微觀缺陷或者薄弱處損傷。

磁流變阻尼器性能演化分析是其自修復技術(shù)發(fā)展的基礎。關于磁流變阻尼器油路密封橡膠材料自修復技術(shù)目前鮮見報道。而White等[120]于2001年首次提出微膠囊自修復復合材料的概念，為修復和制備長壽命橡膠材料提供極大的可能性。其修復原理為：首先將包含修復劑的微膠囊和催化劑分散在復合材料基體中，當材料產(chǎn)生裂紋時，裂紋頂端應力集中引發(fā)微膠囊破裂，修復劑利用毛細管虹吸現(xiàn)象遷移至破裂處，填充裂紋；修復劑與添加到材料中的催化劑相遇，芯材發(fā)生物理和化學變化，形成良好的粘接，從而完成修復。

綜上所述，在油路密封橡膠材料老化研究方面，主要通過加速老化試驗研究密封橡膠材料應力松弛行為與材料力學特性，確定密封橡膠材料的使用壽命。材料老化試驗經(jīng)歷了從非受力狀態(tài)到受靜力作用狀態(tài)的過程，而且在環(huán)境模擬方法上也取得了一定的進展，但試驗多以熱空氣老化為主，未考慮密封橡膠材料在磁流變阻尼器服役過程中所處特定液體介質(zhì)環(huán)境的影響。在油路密封橡膠材料疲勞研究方面，研究對象主要為試片，而施加的荷載條件也大多為單軸、恒定幅值。但是，磁流變阻尼器油路密封橡膠材料服役期荷載條件為多軸變幅荷載，目前還鮮見多軸變幅荷載下橡膠構(gòu)件疲勞性能的研究。磁流變阻尼器油路密封橡膠材料自修復技術(shù)能夠有效保證磁流變阻尼器密封材料的可靠性，避免因密封材料破損而造成磁流變阻尼器性能降低甚至功能喪失。

2.3 自供能自適應磁流變阻尼器研究

常規(guī)的主動控制磁流變阻尼器需要外加電源、傳感器、控制器等，增加了系統(tǒng)的復雜性。對于大型的建筑結(jié)構(gòu)，可能需要成百上千個阻尼器，以及對應數(shù)量的電源、傳感器、控制器等，因此，其復雜的電子線路將導致管理上的不便。此外，在地震作用下，外部供電系統(tǒng)可能受損癱瘓，難以供應阻尼器所需能量，從而導致其失效。為解決這個問題，研究者提出了諸多新型自供能磁流變阻尼器。

根據(jù)不同供能原理，自供能磁流變阻尼器可以分為4類：太陽能式、壓電式、電磁感應式。

2.3.1 太陽能式

劉明遠[121]提出了利用光伏發(fā)電系統(tǒng)給磁流變阻尼器供電方案，并進行了相應的仿真和實驗研究。王繼平[122]也提出利用太陽能板給磁流變阻尼器供電，針對太陽能的收集與存儲以及阻尼器供電電流的控制作了相關研究，設計了一套系統(tǒng)，并且通過實驗驗證了該系統(tǒng)的效果滿足控制要求。太陽能是一種清潔能源，相應的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相當成熟，但是由于太陽光照不穩(wěn)定，系統(tǒng)可能得不到充足的能量供應。而設計的供電系統(tǒng)依賴于具體地區(qū)的氣象條件，因此用太陽能給磁流變阻尼器供電的技術(shù)需要進一步的研究以確保系統(tǒng)的可靠性。

2.3.2 壓電式

壓電效應包括正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應指壓電材料受到外力作用時，產(chǎn)生變形，壓電材料內(nèi)部的正電荷中心與負電荷中心發(fā)生相對移動的現(xiàn)象；而逆壓電效應指壓電材料在極化方向受外界電場作用，材料發(fā)生變形的現(xiàn)象。利用正壓電效應壓電材料可以制作傳感器和振動能量收集裝置，利用逆壓電效應可以作為主動控制裝置[123]。

蔣學爭[124]基于正壓電效應設計了一種帶有壓電堆發(fā)電結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器，設計的壓電堆振動能量捕獲裝置可以在40 mm/10 Hz振動條件下最多捕獲直流穩(wěn)壓電能為0.13 W，外部振動越強可捕獲的電能就越大，而設計的磁流變阻尼器正常工作最少需要的直流電能為2.1 W。而美國Lord公司生產(chǎn)的磁流變阻尼器則需要5 W～10 W的直流電能，因此該阻尼器并不具有完全的自供能能力。

黃永虎[125]提出了一種基于正壓電效應的自供能磁流變阻尼器控制系統(tǒng)。不同于蔣學爭[124]將集能裝置和阻尼器集成在一起的結(jié)構(gòu)，黃永虎[125]把集能裝置和阻尼器分開，集能裝置可以使用更多的壓電堆，該系統(tǒng)的集能裝置可以實現(xiàn)阻尼器的功率需求，控制效果比被動控制好，比主動控制略差，具有自供能自適應的特點，具有很大的潛力和優(yōu)勢。然而，該系統(tǒng)局限于現(xiàn)有壓電片厚度和壓電應變系數(shù)的限制，以及壓電材料制備工藝的缺失，阻抗匹配仍存在問題，其性能有待于進一步提升。

2.3.3 電磁式

電磁式自供能磁流變阻尼器基于法拉第電磁感應原理，其原理為：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時將在閉合回路中產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的大小與磁通量的變化率成正比。

根據(jù)電磁裝置的運動形式，電磁式自供能磁流變阻尼器可分為兩種：直線式與旋轉(zhuǎn)式?；蚋鶕?jù)振動能量收集裝置和磁流變阻尼器的組合形式可分為：串聯(lián)式和并聯(lián)式。各種直線式電磁式自供能磁流變阻尼器的主要區(qū)別在于發(fā)電機/供能結(jié)構(gòu)的設計不同，或者說磁路設計不同，目標是在體積有限的情況下，充分地將機械能轉(zhuǎn)換為電能，為阻尼器提供充足的能量。旋轉(zhuǎn)式的主要區(qū)別在于運動轉(zhuǎn)換裝置的不同，有齒輪齒條式、鏈條鏈輪式以及滾珠絲杠式。

1) 直線式

韓國的Cho等[126]提出了一種基于磁流變阻尼器的智能被動系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的磁流變阻尼器相比，增加了由線圈和與活塞桿固定的永磁體構(gòu)成的電磁感應振動能量收集系統(tǒng)，這種裝置實現(xiàn)了阻尼器的自傳感、自供能。通過模擬若干種地震作用，并與采用主動控制型磁流變阻尼器進行對比，結(jié)果表明作者提出的磁流變阻尼器具有同樣優(yōu)良的控制效果。隨后，以南加州新建的公路跨海大橋為例[127]，應用該智能無源控制系統(tǒng)，驗證了地震激振下公路橋基準結(jié)構(gòu)控制問題抗震保護的有效性，數(shù)值模擬結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以有效地降低基準橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應。Jung等[128]采用類似的結(jié)構(gòu)對小型建筑模型進行振動臺試驗，同樣驗證了該系統(tǒng)的有效性。

Choi和Wereley[129]提出另一種自供能磁流變阻尼器。這種阻尼器的供能裝置由與彈簧相連的永磁鐵和與活塞固定的線圈構(gòu)成，當活塞運動時，永磁鐵產(chǎn)生相對于線圈的運動，使線圈中出現(xiàn)感應電流，給勵磁線圈供電。

Sapiński[130]提出一種外置的集能裝置給阻尼器供電。由于使用圓環(huán)狀的永磁鐵，相對于Jung等的裝置[128]提高了磁場的利用率，通過改變永磁鐵的布置和線圈的數(shù)量可以提高供能裝置的功率。

Sapiński[131]又將集能裝置部分集成到磁流變阻尼器上，該裝置的徑向尺寸較一般阻尼器更長，縮短了阻尼器的行程，而且電磁感應部分會產(chǎn)生齒槽力，因此該部分需要加固。在另一篇文章[132]中，通過實驗驗證了該裝置的供能能力和自傳感能力，集能裝置收集的能量足以供給阻尼器。

Chen和Liao[133]設計并制造了一種自供電自感應的磁流變阻尼器樣機，并對其進行了測試，對發(fā)電能力進行了理論分析和實驗研究，研究了速度傳感方法，并對磁流變阻尼力進行了實驗研究。在阻尼器底部有速度感應部分，當相對速度的平方在0.04 (m/s)2～0.36 (m/s)2時，能產(chǎn)生10 W～92 W的功率。隨后，作者在2012年提出了另一種自供電自感應的磁流變阻尼器[134]，其集能裝置部分帶有速度感應能力。該裝置由于集能裝置集成在外缸筒上，徑向尺寸會比較大。

蔣學爭[124]設計了基于兩相管式直線型電磁感應振動能量捕獲裝置的自供能磁流變阻尼器。在10 mm/2 Hz的正弦振動下，可以在2.1 ?負載(磁流變阻尼器線圈電阻值)兩端，產(chǎn)生2.2 V的直流穩(wěn)定電壓，并輸出約1.04 A的電流，能夠?qū)崿F(xiàn)阻尼器的自供能。同時，除磁流變阻尼器產(chǎn)生的阻尼力之外，其電磁感應集能裝置還能產(chǎn)生與振動速度成正比的電磁阻力，在振幅30 mm，頻率2 Hz的振動條件下，電磁阻力可達到約450 N。此外集能裝置獲得電能的大小與振動強度成正比，根據(jù)外部振動強弱，可以自行調(diào)節(jié)阻尼力的大小，實現(xiàn)自適應控制。

2) 旋轉(zhuǎn)式

直線式的集能裝置結(jié)構(gòu)簡單，原理清楚，但是會增加阻尼器的徑向或縱向尺寸，而且其能量收集效率較低，Gupta等[135]對直線式和旋轉(zhuǎn)式的兩種集能方式進行了研究，發(fā)現(xiàn)在試驗條件下，旋轉(zhuǎn)式的電磁集能裝置的輸出功率遠高于直線式。

汪志昊等[136]提出了一種新型的旋轉(zhuǎn)式自供電磁流變阻尼器，通過齒輪齒條結(jié)構(gòu)和直流電機，將振動能量轉(zhuǎn)換成電能。使用數(shù)值模擬，分析了裝備該阻尼器的公路橋在兩種地震作用下的響應，結(jié)果表明這種新裝置的控制效果和相應地使用外部電源的磁流變阻尼器接近。孔偉明[137]提出另一種基于齒輪齒條式的自供能磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)，將兩個小型發(fā)電機集成到阻尼器缸體上，經(jīng)測試該電機在振幅25 mm，激勵頻率為0.5 Hz的情況下，可以產(chǎn)生8.1 W的平均功率，可以滿足阻尼器的耗能需求。

齒輪齒條結(jié)構(gòu)的缺點是容易產(chǎn)生機械損耗。由于鏈條鏈輪機構(gòu)相對于齒輪齒條機構(gòu)和滾珠絲杠機構(gòu)結(jié)構(gòu)更為簡單，對導向性要求不高，且成本最低，耐久性高。汪志昊和陳政清[138]又提出使用鏈條鏈輪機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式自供電磁流變阻尼器，并對集能裝置的輸出電壓和功率與振動振幅和頻率關系做了初步研究，結(jié)論是這種阻尼器的能量收集效率比直線式高，可以滿足論文中RD-1005型磁流變阻尼器的能量需求，可行性高，具有較好的工程應用前景。

黃永虎[125]提出基于滾珠絲杠的磁電自供能磁流變阻尼器，該阻尼器采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，將阻尼器和集能裝置集成在一起，對阻尼器和集能裝置進行了設計，分析了裝置的阻尼力，集能裝置的輸出電壓電流的計算公式，并對系統(tǒng)進行了參數(shù)識別。隨后基于一個五層的建筑隔震模型設計自供能隔震系統(tǒng)，通過仿真分析，對比了系統(tǒng)內(nèi)置的控制策略與其他幾種主動、半主動、被動控制策略在四種地震波激勵下的控制效果，結(jié)果表明磁電自供能控制系統(tǒng)在不同強度的四種地震波作用下，均能跟蹤主動控制和限界最優(yōu)控制，控制效果優(yōu)于最優(yōu)被動控制。

彭少俊[139]提出自供電自傳感磁流變阻尼器，該阻尼器采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，采用滾珠絲杠和盤式永磁發(fā)電機作為集能裝置，對空載和負載下的電壓、電流功率以及阻尼力進行了仿真分析和試驗驗證，提出了一種基于輸出電壓包絡線的狀態(tài)自傳感解決方案。

3 展望

對疊層橡膠隔震支座和磁流變阻尼器的數(shù)據(jù)監(jiān)測與損傷識別、性能演化與可靠性評估、自適應自供能特性三方面研究現(xiàn)狀分別進行了總結(jié)，提出亟需研究的關鍵科學與技術(shù)問題。

對于疊層橡膠隔震支座：

(1) 橡膠隔震支座沿軸向呈周期性的特點，壓電傳感阻抗監(jiān)測數(shù)據(jù)適于結(jié)構(gòu)局部微小損傷精準識別。結(jié)合壓電傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)和周期系統(tǒng)局域化理論進行橡膠隔震支座多尺度損傷識別是是亟待解決的一大難題。

(2) 基于隔震支座監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)識別技術(shù)，厘清正常服役條件下高阻尼橡膠隔震支座本構(gòu)模型參數(shù)隨溫度變化及材料老化等的時變規(guī)律，從而定量分析隔震系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)時變性能，是一個亟待解決的關鍵科學問題。

(3) 已有的橡膠自修復技術(shù)只局限于橡膠材料本身，尚未應用到橡膠隔震支座中，有關橡膠隔震支座自修復技術(shù)的研究也鮮見報道。

對于磁流變阻尼器：

(1) 現(xiàn)有的簡化模型既難以完整準確體現(xiàn)磁流變阻尼器的復雜動力特性，也不能準確模擬新型磁流變阻尼器的強非線性特性，因此研究無模型的磁流變阻尼器非線性特征十分必要。

(2) 一方面，磁流變阻尼器油路密封橡膠材料服役期荷載條件為多軸變幅荷載，目前還鮮見該條件下橡膠構(gòu)件疲勞性能的研究，另一方面，磁流變阻尼器油路密封橡膠材料自修復技術(shù)能夠有效保證磁流變阻尼器密封材料的可靠性，避免因密封材料破損而造成磁流變阻尼器性能降低甚至功能喪失，但該方面研究目前尚鮮見有報道。

(3) 雖然已有若干種自供能磁流變阻尼器的相關研究，但是自適應被動磁流變阻尼器減振控制機理還需要進一步明確，其最優(yōu)參數(shù)確定方法還有待研究。