结构减隔震控制系统性能监测、评估与提升

朱宏平，沈文爱，雷 鹰，袁 涌，胡宇航，张 莹

(1.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉 430074；2.厦门大学建筑与土木工程学院，厦门 361005)

自20世纪70年代以来，土木工程结构振动控制研究与工程应用发展迅速，结构振动控制系统可分为被动控制系统、半主动控制系统、主动控制系统和混合控制系统四类。现有结构振动控制系统的应用主要以被动控制为主，包括隔震和消能减振/震两种形式。在地震、风载等灾害荷载作用下，结构被动振动控制系统耗散了大量结构振动能量，是最容易破坏的结构关键、敏感部位，在荷载、环境等多因素长期作用下性能不断劣化，且自身为各向异性材料、多介质耦合，呈现多尺度、多类型损伤特征。因此，研究结构被动振动控制系统性能并开发自修复、自适应技术，具有重要的科学与应用价值。

本文以叠层橡胶隔震支座和磁流变阻尼器为对象，对数据监测与损伤识别、性能演化与可靠性评估、自适应自供能特性三方面的研究现状分别进行总结。本文可为地震、风载等灾害荷载及复杂环境作用下被动振动控制系统的安全运营和性能提升提供参考。

1 叠层橡胶隔震系统性能研究现状

1.1 橡胶隔震系统的周期结构系统特征与损伤识别研究

叠层橡胶隔震支座通常由一层橡胶叠加一层加强钢板相互交错经特殊工艺粘合压制成型，其本质上可以视作由若干重复子结构通过首尾相接构成的链状谐调周期性结构系统。考虑叠层橡胶隔震支座的周期特性，发展出了多种静力模型和动力模型。

Chang[1]和Ding等[2]分别采用解析刚度矩阵法和传递矩阵法，建立了离散的叠层橡胶支座的线性力学模型。模型的橡胶层采用Haringx理论，钢板视为刚体，可对具有不同几何参数和材料性能的支座进行逐层分析，计算内力和位移。Takaoka[3]考虑橡胶层的抗弯刚度和抗剪刚度的非线性特性，建立了一种基于Haringx理论的叠层橡胶支座非线性力学模型，该模型能较好地预测叠层橡胶支座的大变形行为。朱宏平和唐家祥[4]将叠层橡胶隔震支座简化为带集中质量的有限周期柱模型，运用周期结构原理和导纳法分析了在水平地震力作用下叠层橡胶隔震支座的振动传递特性。

地震发生时，隔震支座消耗了大量结构振动能量，是最容易发生破坏的结构关键、薄弱部位。一旦隔震支座早期损伤未能及时发现而继续发展并积累到一定程度，可能会导致整个结构的突发性失效，对人民的生命和财产造成灾难。因此，对隔震支座进行有效地评估和监测，对隔震结构安全运营和科学管养具有重大的意义。

目前隔震支座的评估方式是将待检测隔震支座拆卸下来，依据外观检查、荷载试验等对其安全状态做出评估。对一些大型的建筑工程来说是一项耗时费力的工作。

邓蓉[5]以《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》[6]为依据，对南昆线东阳沟4号大桥两联2 m×80 m上承连续钢桁梁进行评估，以支座转角超过限值评定劣化等级。鉴于目前鲜见适用于支座损伤等级标准评估研究理论，针对新疆地区支座病害的特点，王建军等[7]分析了支座损伤劣化机理并提出支座损伤等级评估标准。

邬晓光等[8]通过对运营的实桥取下来的橡胶支座进行单轴拉伸试验、双轴拉伸试验和平面剪切试验，得到桥梁支座实际的特性参数，提出运营板式橡胶支座在局部脱空和剪切变形两种病害同时作用下的失效标准。Burtscher和Dorfmann[9]根据橡胶支座压缩或剪切试验的应力曲线，确定隔震支座脱层破坏。该方法可用于室内试验测试橡胶支座的性能，但不适用于实际应用中的实时脱层检测。Casciati和Faravelli[10]对间隔十年的两个批次的同一型号隔震支座进行振动台试验，通过对比发现橡胶老化导致剪切模量增加。

随着隔震支座力学模型的完善、传感技术的发展以及参数识别方法的推进，目前基于结构健康监测的隔震支座损伤评估也取得了一定的进展。传统的结构健康监测技术可分为局部和整体监测技术两类。

在局部监测技术中，Kawasaki等[11]采用声发射(AE)方法对橡胶支座进行室内试验和现场试验，通过比较失效支座和新支座的声发射参数，评估支座的内部损伤。

整体监测技术又可分为动态和静态两类。静态技术包括监测静态位移、静态应变等，在国内实际工程中应用较多。广东科学中心工程[12]应用通用分组无线业务(GPRS)远程自动化数据采集监测系统，对隔震支座进行位移监测，并给出预警指标。根据运营期的监测数据，王可怡等[13]证明了隔震支座性能状态稳定，朱文正和张季超[14]拟合了隔震支座水平位移与温度的线性关系。杜永峰等[15―17]对某超长基础隔震建筑结构，建立健康监测系统。通过监测隔震层温度、隔震支座水平位移以及隔震支座主梁应变，研究温度变化对隔震支座性能的影响。

动态监测技术主要基于人为激励或者外界环境激励，获取结构的振动响应，如位移、速度、加速度等。在小变形条件下，隔震支座表现为线弹性，针对其刚度的识别作了一定的研究。战家旺等[18]将受损支座简化成具有可变刚度的弹簧，利用桥梁在冲击荷载作用下动力响应，基于灵敏度分析和模型修正方法，诊断既有桥梁橡胶支座脱空或者受力不均病害。Bedon和Morassi[19]对一基础隔震的后张法混凝土桥的动力特性进行了简谐振动试验和有限元分析，通过固有频率和振型对隔震支座的刚度进行修正。Chisari等[20]应用基于遗传算法的反演技术，通过模态试验分析提取的固有频率和振型[19]，结合静力试验数据识别了桥梁隔震支座的刚度。

在大变形条件下，隔震支座表现出非线性力学特性。描述其非线性特性的迟滞模型有等效线性模型、双线性模型、三线性模型、多剪切弹簧模型、Menegotto-Pinto模型以及Bouc-Wen模型等。基于已建立的数学物理模型，对于橡胶隔震支座非线性特性的识别，有学者做了理论和实验方面的研究。Nagarajaiah等[21―22]提出一种最小二乘法，根据基础隔震建筑在北岭地震中的响应数据，在不同的时间段内识别出等效线性系统参数。Yoshimoto等[23]以系统的横向刚度、阻尼系数等时间分段参数作为损伤指标，采用多输入多输出子空间损伤检测方法对现有的7层基础隔震建筑进行了损伤识别。Huang等[24―25]对铅芯橡胶支座(LRB)采用双线性模型，基于Masing准则，将多值恢复力转化为单值函数，通过迭代试验和误差优化程序，分别识别出隔震建筑[24]以及隔震桥梁[25]支座的滞回曲线。

Furukawa等[26]用多剪切弹簧模型对隔震层的恢复力建模，利用预测误差法对隔震结构进行了系统识别研究。Ahn和Chen[27]采用Menegotto-Pinto模型对铅芯橡胶支座进行建模，采用两相输出误差优化算法，对三跨连续基础隔震桥梁进行系统识别。根据间隔四年的两组实验数据，研究了LRB的老化效应；根据不同温度下的两组实验数据，研究了LRB的温度效应。由于能够较好地反映橡胶隔震支座在地震作用下的动力响应，Bouc-Wen模型得到广泛应用。尹强等[28―29]采用简化的Bouc-Wen模型分析隔震支座的非线性滞回特性，分别采用序贯非线性最小二乘(SNLSE)方法[28]和扩展卡尔曼滤波(EKF)方法[29]在线地识别隔震支座和上部结构的系统参数，判断结构损伤发生的时间、部位和损伤程度。为提高算法的时变跟踪能力，又提出基于遗传优化算法的自适应序贯非线性最小二乘(ASNLSE)方法[30]和基于约束最优化算法的自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)方法[31―32]。杜永峰等[33]对上部结构时变参数及隔震支座时变非线性模型进行小波多尺度展开，将时变问题转化为时不变问题进行最小二乘估计，有效识别上部结构的时变刚度及橡胶支座的非线性特性。赵丽洁等[34]以小波系数能量比作为衡量隔震支座的非线性状态的指标，采用小波多分辨识别算法识别隔震支座的非线性特性及模型参数。Quaranta等[35]通过粒子群优化和微分进化的方法识别高阻尼橡胶支座(HDRB)的参数位移-力曲线，并参考速度-力曲线对识别过程进行评估。

以上方法中依赖于特定力学模型，而由于隔震支座非线性材料的复杂性以及有效实验数据的有限性，以及材料老化或损伤等因素的影响，建立一个准确的隔震支座非线性数学模型较为困难。基于数据的识别方法则可以解决这一问题。雷鹰等[36―37]以隔震层和上部结构作为整体，将隔震支座出现的非线性视为作用于结构的“附加未知虚拟外力”，通过依次对结构响应进行卡尔曼预测估计和对“附加未知虚拟外力”的最小二乘识别，识别橡胶支座的非线性力。Xu等[38]提出了一种于线性和非线性回归分析技术的系统辨识计算方法，研究隔震建筑的线性和非线性结构特性。针对于线性上部结构，通过多重线性回归分析得到了层刚度和阻尼参数；针对非线性隔震层，提出了一种基于两步回归的识别方法，得到隔震层的弹性刚度、屈服后刚度和屈服位移。该方法适用于各种非线性模型，并且可推广到非线性上部结构。

1.2 橡胶隔震系统力学性能演化与评估

隔震结构的关键部位是隔震系统，因此，橡胶隔震支座性能是整个隔震结构全寿命周期性能变化的主要影响因素。众所周知，暴露在空气中的橡胶片会在较短时间内发生物性劣化，其耐久性较差。而橡胶隔震支座中的橡胶片由于避免了与空气中的氧气直接接触，其劣化速度会大幅降低[39]。但已有研究表明，橡胶材料受温度、空气及水分等环境因素影响会发生表面硬化、裂纹等老化现象[40―41]。加速劣化实验表明，随着使用年限的增加，橡胶隔震支座屈服后刚度会大幅增加，水平变形能力明显下降[41]。隔震支座力学性能的降低必然影响隔震结构在强震作用下的安全性。因此，研究多耦合因素作用下橡胶隔震支座性能演化具有重要的科学与工程应用价值。

服役条件下隔震橡胶支座会存在不同程度的老化现象，其隔震特性也会随之发生较大变化。其中，高阻尼橡胶支座老化还会影响其本构模型中速率和应变相关性，进而影响其自适应性。已有文献表明：目前研究集中在橡胶隔震全寿命周期内等效刚度及等效阻尼比等特性的测定；没有发现其时域范围内自适应性能的研究。关于橡胶材料在使用过程中受到应力松弛、温度和老化等因素影响而引起性能变化的研究，一般借助温度试验箱对橡胶材料或者小尺度橡胶隔震支座进行相应的老化以及温度性能试验，然后通过有限元软件对橡胶隔震支座的时变力学性能进行模拟分析[42―45]。这些研究难以真实反映安装在实际工程结构中的橡胶隔震支座全寿命周期内的性能变化，而且隔震支座试验都是将其脱离整个结构而单独进行，缺乏对服役中隔震结构时变特性的研究。

随着结构健康监测技术不断发展，通过实际监测数据能获取隔震支座全寿命周期性能真实变化特征。因此，基于隔震支座监测数据，采用现代数据处理与系统识别技术，厘清正常服役条件下橡胶隔震支座本构模型参数随温度变化及材料老化等的时变规律[46]，从而定量分析隔震系统全寿命周期内时变性能，是一个亟待解决的关键科学问题。

1.3 橡胶隔震系统的自适应与自修复技术

隔震技术可以延长自振周期、增加结构能量耗散能力，从而降低结构地震响应[47]，主要通过隔震支座实现。根据支座隔震机理不同，常见的隔震支座可以分为摩擦摆支座、组合式隔震支座和弹性体叠层支座。

摩擦摆支座除具有对地震激励频率范围低敏感性和高稳定性等特性外，还可以通过设置圆弧滑动面使其具有自复位功能。摩擦摆支座的主要研究集中在两个方面：复杂滑动曲面在各类型隔震结构中的自适应隔震性能研究[48―50]和摩擦摆支座隔震本构与参数设计研究[51―52]。

组合式隔震支座通常采用混合型隔震方式[53]，如滑动式弹性体组合支座、摩擦式钢耗能隔震装置、分离式隔震体系等[54―56]。组合式隔震装置主要将支座的竖向承载能力与水平变形耗能能力合并利用。组合式隔震装置的主要研究集中在水平耗能性能的提升与多级自适应隔震设计。

弹性体叠层支座通过叠层钢板或者复合板约束弹性体材料平面内变形提高竖向承载力，并利用柔软的弹性体材料获得支座水平剪切变形能力和变形后自恢复能力。最常见的为橡胶类隔震支座如天然橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座。弹性体叠层支座的研究热点包括新材料、新构造、本构模型创新和支座极限状态等。概括来说主要集中以下在三个方面：1) 新型高性能材料或智能材料代替传统橡胶材料，制造新型功能性叠层支座研究；2) 采用传统材料代替橡胶或者钢板，制造低成本、性能稳定的隔震装置试验研究；3) 考虑复杂外部环境影响因素或材料强非线性及加载速率相关的本构模型理论研究。

在以上三种隔震支座体系中，当属弹性体叠层隔震支座中的橡胶类支座应用最为广泛。以下为国内外橡胶类隔震支座的新发展研究综述。

新型材料在隔震支座上的研究热点主要有形状记忆合金(SMA)和磁流变弹性体(MRE)。SMA因具有良好的形状记忆功能和能量耗散能力，最早由Graesser和Cozzarelli[57]提出使用SMA的特性制作耗能装置，近年来被诸多学者与叠层橡胶支座组合使用以提高隔震支座的自复位和耗能能力[58―61]。Dezfuli和Alam[58]利用SMA和天然橡胶隔震支座(NRB)组合形成新型隔震支座，重点考虑了SMA记忆合金线交叉联接方式在不同支座剪应变情况下的屈服耗能。研究表明，虽然SMA-NRB组合隔震装置提升了NRB支座的耗能性能。但是形状记忆合金线大大降低了SMA-NRB的横向柔韧性，因此，提出了对SMA线施加预应力用于降低记忆合金对耗能装置水平刚度的影响。Bhuiyan和Alam[59]研究了SMA与高阻尼橡胶支座组合装置在公路桥梁中的抗震性能。研究结果表明，通过SMA线缠绕高阻尼隔震支座可对中等地震下的桥梁地震响起到明显的控制效果。

磁流变弹性体(MRE)因为可以在不同磁场环境下表现出不同的刚度，因而，成为自适应隔震中的研究热点。Behrooz等[62―63]提出了一种刚度可变的阻尼型隔震支座，利用MRE隔震支座刚度与电流依赖关系和控制算法进行缩尺试验，实验中建筑物振动得到有效控制。Yang等[64―65]提出了利用永磁体材料设计MRE隔震支座。该支座可基于所施加的磁场的方向实现正和负刚度变化。Xing等[66]设计并制造了一种应用于桥梁抗震的微型叠层MRE隔震支座，并通过动态测试和模糊控制实验证实了其设计的有效性。

利用传统材料改进新型低成本高性能隔震支座也是研究热点之一。Li等[67]提出使用高强钢丝网代替叠层橡胶支座中的钢板并进行试验研究，研究表明，该类型支座具有良好竖向承载能力的同时具有较大的有效胶层厚度，水平变形良好，且在剪应变达到220%以上时，支座具有一定程度的翻滚变形以提供水平变形能力。谭平等[68―69]利用不饱和聚酯纤维加强复合材料板代替钢板制造简易隔震支座，并进行支座试验研究、有限元分析和隔震效果分析。雷拓等[70]使用丁腈橡胶(NBR)与溴化丁基橡胶(BIIR)两种基体橡胶共混，制备了可用于建筑高阻尼隔震支座的NBR/BIIR复合橡胶材料，并对硫化工艺进行研究，制备了具有良好力学性能与耐老化性能的高阻尼橡胶。

除新型支座的发展，叠层橡胶隔震支座的本构模型发展也是研究热点之一。Kim等[71]对天然橡胶和铅芯橡胶支座在热条件下老化进行了研究。李艳敏等[72―73]针对大量橡胶材料和橡胶支座设计老化和海洋腐蚀试验，对近海条件下的支座进行老化性能评估，并基于现有Mooney-Rivlin模型推导出老化与海洋腐蚀与橡胶支座本构模型中的常数之间的关系。

袁涌等[74―76]针对超高阻尼支座的强非线性与速率相关性提出了基于改进Zenner模型的复杂本构形式，利用实时子结构试验对本构模型进行验证并对比桥梁结构在几种常规支座模型下的响应分析，研究指出了采用复杂精确模型的必要性。

除隔震支座的性能发展研究，基于性能设计的自适应多级设防隔震设计理论是一个新热点[77―78]，但是理论的创新还得依靠隔震装置的创新来实现，自适应隔震支座可分为半主动自适应如磁流变隔震支座[79]、被动自适应隔震支座如多级摩擦摆[80]和被动自适应摩擦型高阻尼隔震支座[81―82]。

近年来，橡胶的自修复技术得到快速发展[83]，橡胶自修复技术对于隔震橡胶支座震后的性能恢复与抵御二次余震有重大意义。王文远等[83]对天然橡胶进行环氧化和开环接枝改性，引入多重氢键和悬挂链,制备了具有自修复性能的接枝天然橡胶(GENR)，GENR在室温20.8 ℃和50 ℃下分别修复2 h，修复效率分别达到了50.6%和81.5%。Wu等[84]提出了基于混合共价键和可逆键以制备一种与天然橡胶同样坚韧并且可以修复的新型橡胶，该弹性材料可在数秒内常温无任何外部条件下，力学性能可自动回复到原始状态的97%以上，从而防止合成橡胶内部遭遇到永久性破坏。但将橡胶的自修复技术应用于橡胶隔震支座的研究还亟待开展。

2 磁流变减振系统性能研究现状

2.1 磁流变阻尼器损伤识别

磁流变阻尼器失效主要原因为磁流变液材料劣化和油路密封材料老化。磁流变液在极限服役条件下可能出现板结、稀化、稠化和温度稳定性差等问题[85]，阻尼器密封材料老化或者疲劳荷载作用，也会导致磁流变液介质泄露[86]。除此以外，磁流变阻尼器在与主体结构交互作用中长期往复运动，也容易发生一些连接部位破坏。通过对已有阻尼器检测试验数据归纳总结发现，上述各类失效破坏在其滞回曲线上体现出不同的特征，如图1所示。因此，通过磁流变阻尼器滞回曲线特征判断阻尼器是否损伤及其损伤模式是行之有效的方式。

图1 磁流变阻尼器失效破坏的典型滞回特征[85―86](细线为正常状态，粗线为失效状态)Fig.1 Typical hysteresis characteristics of failure of magnetorheological damper[85―86](thin line: normal state; thick line: failure state)

虽然国内外学者对磁流变阻尼器性能进行了许多研究，发展了一些参数化数学模型，如Bingham粘塑性模型、修正的Bingham粘塑性模型、非线性滞回模型、粘弹-塑性模型、修正的Dahl模型、Bouc-Wen模型等[87―89]。但是，这些简化模型既难以完整准确体现磁流变阻尼器的复杂动力特性，也不能准确模拟新型磁流变阻尼器的强非线性特性。因此，基于监测数据驱动，研究无模型的磁流变阻尼器的非线性特征十分必要。Masri等[90]发展了基于数据的复杂多自由度迟滞系统无模型诊断方法，Ni等[91]利用迟滞恢复力与结构响应的多值关系，发现磁流变阻尼器的非线性具有时间记忆功能。许斌等[92―93]研究运用最小二乘法与监测数据对非线性恢复力进行了诊断，作者也开展了基于结构部分响应对无模型结构非线性的识别[94―95]。然而，一方面，这些方法均采用正交多项式级数来近似表达阻尼器的非线性特征，在多项式的选择、多项式级数的选取等方面均存在主观判断，难以真实反映出磁流变阻尼器复杂非线性及时间记忆功能。另一方面，已有磁流变阻尼器试验研究都是将其脱离整个结构而单独进行，缺乏对实际结构中服役磁流变阻尼器的非线性特性识别研究。由于磁流变阻尼器各类失效破坏等因素，实际结构中服役的磁流变阻尼特性变化较大。因此，研究基于监测数据的磁流变阻尼器滞回曲线特征的无模型识别新方法，具有重要的科学意义和应用前景。

已有研究表明，通过图像识别可以判定结构局部区域的损伤特征和损伤程度。He等[96]采用神经网络深度学习方法，通过六角螺栓的图像变化识别螺栓松动情况。Cha等[97]采用卷积神经网络学习332张用佳能单反相机拍摄的高清混凝土结构表面裂缝照片，成功识别梁裂纹。Soukup和Huber-Mörk[98]通过神经网络深度学习，识别了列车轨道表面裂纹、不平顺等损伤。刘宇飞[99]结合有限元模型修正和图像深度识别技术，建立了土木工程结构多尺度损伤识别方法。深度学习是图像基本特征分析的有力工具，可以快速获得准确率很高的图像基本特征。因此，通过监测系统自动辨识各时间窗口的磁流变阻尼器滞回曲线图像，依据对大量磁流变阻尼器滞回曲线的深度学习，获得磁流变阻尼器失效的滞回曲线特征，可实现磁流变阻尼器损伤识别。

2.2 磁流变阻尼器的性能演化与自修复技术

磁流变阻尼器性能主要由磁流变液的力学性能决定。磁流变液是由微米级(1 μm～20 μm)软磁性颗粒分散于非导磁基液中所形成的悬浮液，因此，可通过外加磁场控制其力学性能[100―102]。软磁性颗粒通常采用具有极大饱和磁化强度(2.1 T)的羰基铁粉，基液多采用硅油、聚酯、聚醚和合成碳氢化合物。软磁性颗粒极易发生沉淀，是影响磁流变阻尼器力学性能、稳定性及长期服役性能的关键因素。影响软磁性颗粒沉淀的因素可概括为颗粒体积分数、尺寸与体积，基液黏度，固液两相密度差，以及颗粒与基液相互作用等[103]。已有研究表明：减小颗粒尺寸，增大基液黏度，缩小两相密度差可以有效提高磁流变液的稳定性。在磁流变液中，保持软磁性颗粒处于悬浮弥散状态的驱动力是微颗粒的布朗运动，颗粒尺寸越小，对分子碰撞力作出的响应越大。此外，减小软磁性颗粒尺寸，可以缩小其与基液的密度差。因此，采用纳米粒径软磁性颗粒是解决磁流变液沉淀稳定性的有效途径之一[104―108]。虽然纳米颗粒磁流变液稳定性得到了极大改善，而且其零场抗剪屈服强度也远高于微米级颗粒磁流变液，但其外场抗剪屈服强度明显低于微米颗粒磁流变液[104,107―108]。因此，为了进一步改善磁流变阻尼器长期服役性能和自适应性，亟需研究并开发具有较高抗剪屈服强度同时具有良好稳定性的纳米磁流变液。

磁流变阻尼器油路密封橡胶材料的老化是关系磁流变阻尼器长期性能的关键因素之一[109―110]。油路密封橡胶材料老化会导致漏油，从而导致磁流变阻尼器失效。因此，磁流变阻尼器油路密封橡胶材料在液体环境下的性能演化及其自修复技术是磁流变阻尼器主要的科学问题和工程难题。

磁流变阻尼器性能演化的科学问题主要集中在密封橡胶材料老化与疲劳破坏两方面的研究。在密封橡胶材料老化方面，Hsuan和Koerner[111]论述了高分子材料在大气环境中老化与水环境中老化的区别。Le Gac等[112]通过试验手段，研究了氯丁橡胶在海洋环境下长期老化性能，揭示了橡胶在水环境下的老化特性。Patel和Skinner[113]采用热机械分析仪研究了橡胶材料在不同温度与湿热环境下的永久压缩变形，并据此预测了材料的使用寿命。李咏今[114―115]在硫化橡胶材料耐久性能及寿命预测方面做了较为系统的研究，提出了硫化橡胶性能与温度变化关系的数学模型，并结合性能劣化数学模型分别采用温度外推法与时间外延法对橡胶应力松弛进行了预测。

在橡胶材料疲劳研究方面，Rivlin和Thomas[116]最早将断裂力学应用于橡胶材料的疲劳破坏，并定义裂纹每扩展单位面积所释放的能量为撕裂能。Lake等[117]研究了天然橡胶(NR)和丁苯橡胶(SBR)硫化胶的疲劳裂纹扩展速率与撕裂能的关系曲线，发现随着撕裂能的增大，曲线分为4个区域：临界撕裂能区、过渡区、指数区和不稳定裂纹增长区，而且依据该曲线可以求出疲劳寿命。Devries[118]认为橡胶材料的疲劳破坏主要是由于分子间化学键的断裂，即在周期性应变过程中，应力不断集中于“弱”键处而产生微裂纹。而Beurrot-Borgarino等[119]认为橡胶材料的疲劳破坏主要是由于外力作用下橡胶内部缺陷引发的微裂纹扩展行为。两种理论均认为：橡胶材料疲劳破坏源于外加因素下材料内部微观缺陷或者薄弱处损伤。

磁流变阻尼器性能演化分析是其自修复技术发展的基础。关于磁流变阻尼器油路密封橡胶材料自修复技术目前鲜见报道。而White等[120]于2001年首次提出微胶囊自修复复合材料的概念，为修复和制备长寿命橡胶材料提供极大的可能性。其修复原理为：首先将包含修复剂的微胶囊和催化剂分散在复合材料基体中，当材料产生裂纹时，裂纹顶端应力集中引发微胶囊破裂，修复剂利用毛细管虹吸现象迁移至破裂处，填充裂纹；修复剂与添加到材料中的催化剂相遇，芯材发生物理和化学变化，形成良好的粘接，从而完成修复。

综上所述，在油路密封橡胶材料老化研究方面，主要通过加速老化试验研究密封橡胶材料应力松弛行为与材料力学特性，确定密封橡胶材料的使用寿命。材料老化试验经历了从非受力状态到受静力作用状态的过程，而且在环境模拟方法上也取得了一定的进展，但试验多以热空气老化为主，未考虑密封橡胶材料在磁流变阻尼器服役过程中所处特定液体介质环境的影响。在油路密封橡胶材料疲劳研究方面，研究对象主要为试片，而施加的荷载条件也大多为单轴、恒定幅值。但是，磁流变阻尼器油路密封橡胶材料服役期荷载条件为多轴变幅荷载，目前还鲜见多轴变幅荷载下橡胶构件疲劳性能的研究。磁流变阻尼器油路密封橡胶材料自修复技术能够有效保证磁流变阻尼器密封材料的可靠性，避免因密封材料破损而造成磁流变阻尼器性能降低甚至功能丧失。

2.3 自供能自适应磁流变阻尼器研究

常规的主动控制磁流变阻尼器需要外加电源、传感器、控制器等，增加了系统的复杂性。对于大型的建筑结构，可能需要成百上千个阻尼器，以及对应数量的电源、传感器、控制器等，因此，其复杂的电子线路将导致管理上的不便。此外，在地震作用下，外部供电系统可能受损瘫痪，难以供应阻尼器所需能量，从而导致其失效。为解决这个问题，研究者提出了诸多新型自供能磁流变阻尼器。

根据不同供能原理，自供能磁流变阻尼器可以分为4类：太阳能式、压电式、电磁感应式。

2.3.1 太阳能式

刘明远[121]提出了利用光伏发电系统给磁流变阻尼器供电方案，并进行了相应的仿真和实验研究。王继平[122]也提出利用太阳能板给磁流变阻尼器供电，针对太阳能的收集与存储以及阻尼器供电电流的控制作了相关研究，设计了一套系统，并且通过实验验证了该系统的效果满足控制要求。太阳能是一种清洁能源，相应的光伏发电技术已经相当成熟，但是由于太阳光照不稳定，系统可能得不到充足的能量供应。而设计的供电系统依赖于具体地区的气象条件，因此用太阳能给磁流变阻尼器供电的技术需要进一步的研究以确保系统的可靠性。

2.3.2 压电式

压电效应包括正压电效应和逆压电效应。正压电效应指压电材料受到外力作用时，产生变形，压电材料内部的正电荷中心与负电荷中心发生相对移动的现象；而逆压电效应指压电材料在极化方向受外界电场作用，材料发生变形的现象。利用正压电效应压电材料可以制作传感器和振动能量收集装置，利用逆压电效应可以作为主动控制装置[123]。

蒋学争[124]基于正压电效应设计了一种带有压电堆发电结构的磁流变阻尼器，设计的压电堆振动能量捕获装置可以在40 mm/10 Hz振动条件下最多捕获直流稳压电能为0.13 W，外部振动越强可捕获的电能就越大，而设计的磁流变阻尼器正常工作最少需要的直流电能为2.1 W。而美国Lord公司生产的磁流变阻尼器则需要5 W～10 W的直流电能，因此该阻尼器并不具有完全的自供能能力。

黄永虎[125]提出了一种基于正压电效应的自供能磁流变阻尼器控制系统。不同于蒋学争[124]将集能装置和阻尼器集成在一起的结构，黄永虎[125]把集能装置和阻尼器分开，集能装置可以使用更多的压电堆，该系统的集能装置可以实现阻尼器的功率需求，控制效果比被动控制好，比主动控制略差，具有自供能自适应的特点，具有很大的潜力和优势。然而，该系统局限于现有压电片厚度和压电应变系数的限制，以及压电材料制备工艺的缺失，阻抗匹配仍存在问题，其性能有待于进一步提升。

2.3.3 电磁式

电磁式自供能磁流变阻尼器基于法拉第电磁感应原理，其原理为：穿过闭合回路的磁通量发生变化时将在闭合回路中产生感应电动势，感应电动势的大小与磁通量的变化率成正比。

根据电磁装置的运动形式，电磁式自供能磁流变阻尼器可分为两种：直线式与旋转式。或根据振动能量收集装置和磁流变阻尼器的组合形式可分为：串联式和并联式。各种直线式电磁式自供能磁流变阻尼器的主要区别在于发电机/供能结构的设计不同，或者说磁路设计不同，目标是在体积有限的情况下，充分地将机械能转换为电能，为阻尼器提供充足的能量。旋转式的主要区别在于运动转换装置的不同，有齿轮齿条式、链条链轮式以及滚珠丝杠式。

1) 直线式

韩国的Cho等[126]提出了一种基于磁流变阻尼器的智能被动系统，与传统的磁流变阻尼器相比，增加了由线圈和与活塞杆固定的永磁体构成的电磁感应振动能量收集系统，这种装置实现了阻尼器的自传感、自供能。通过模拟若干种地震作用，并与采用主动控制型磁流变阻尼器进行对比，结果表明作者提出的磁流变阻尼器具有同样优良的控制效果。随后，以南加州新建的公路跨海大桥为例[127]，应用该智能无源控制系统，验证了地震激振下公路桥基准结构控制问题抗震保护的有效性，数值模拟结果表明，该控制系统可以有效地降低基准桥梁结构的地震反应。Jung等[128]采用类似的结构对小型建筑模型进行振动台试验，同样验证了该系统的有效性。

Choi和Wereley[129]提出另一种自供能磁流变阻尼器。这种阻尼器的供能装置由与弹簧相连的永磁铁和与活塞固定的线圈构成，当活塞运动时，永磁铁产生相对于线圈的运动，使线圈中出现感应电流，给励磁线圈供电。

Sapiński[130]提出一种外置的集能装置给阻尼器供电。由于使用圆环状的永磁铁，相对于Jung等的装置[128]提高了磁场的利用率，通过改变永磁铁的布置和线圈的数量可以提高供能装置的功率。

Sapiński[131]又将集能装置部分集成到磁流变阻尼器上，该装置的径向尺寸较一般阻尼器更长，缩短了阻尼器的行程，而且电磁感应部分会产生齿槽力，因此该部分需要加固。在另一篇文章[132]中，通过实验验证了该装置的供能能力和自传感能力，集能装置收集的能量足以供给阻尼器。

Chen和Liao[133]设计并制造了一种自供电自感应的磁流变阻尼器样机，并对其进行了测试，对发电能力进行了理论分析和实验研究，研究了速度传感方法，并对磁流变阻尼力进行了实验研究。在阻尼器底部有速度感应部分，当相对速度的平方在0.04 (m/s)2～0.36 (m/s)2时，能产生10 W～92 W的功率。随后，作者在2012年提出了另一种自供电自感应的磁流变阻尼器[134]，其集能装置部分带有速度感应能力。该装置由于集能装置集成在外缸筒上，径向尺寸会比较大。

蒋学争[124]设计了基于两相管式直线型电磁感应振动能量捕获装置的自供能磁流变阻尼器。在10 mm/2 Hz的正弦振动下，可以在2.1 Ω负载(磁流变阻尼器线圈电阻值)两端，产生2.2 V的直流稳定电压，并输出约1.04 A的电流，能够实现阻尼器的自供能。同时，除磁流变阻尼器产生的阻尼力之外，其电磁感应集能装置还能产生与振动速度成正比的电磁阻力，在振幅30 mm，频率2 Hz的振动条件下，电磁阻力可达到约450 N。此外集能装置获得电能的大小与振动强度成正比，根据外部振动强弱，可以自行调节阻尼力的大小，实现自适应控制。

2) 旋转式

直线式的集能装置结构简单，原理清楚，但是会增加阻尼器的径向或纵向尺寸，而且其能量收集效率较低，Gupta等[135]对直线式和旋转式的两种集能方式进行了研究，发现在试验条件下，旋转式的电磁集能装置的输出功率远高于直线式。

汪志昊等[136]提出了一种新型的旋转式自供电磁流变阻尼器，通过齿轮齿条结构和直流电机，将振动能量转换成电能。使用数值模拟，分析了装备该阻尼器的公路桥在两种地震作用下的响应，结果表明这种新装置的控制效果和相应地使用外部电源的磁流变阻尼器接近。孔伟明[137]提出另一种基于齿轮齿条式的自供能磁流变阻尼器结构，将两个小型发电机集成到阻尼器缸体上，经测试该电机在振幅25 mm，激励频率为0.5 Hz的情况下，可以产生8.1 W的平均功率，可以满足阻尼器的耗能需求。

齿轮齿条结构的缺点是容易产生机械损耗。由于链条链轮机构相对于齿轮齿条机构和滚珠丝杠机构结构更为简单，对导向性要求不高，且成本最低，耐久性高。汪志昊和陈政清[138]又提出使用链条链轮机构的旋转式自供电磁流变阻尼器，并对集能装置的输出电压和功率与振动振幅和频率关系做了初步研究，结论是这种阻尼器的能量收集效率比直线式高，可以满足论文中RD-1005型磁流变阻尼器的能量需求，可行性高，具有较好的工程应用前景。

黄永虎[125]提出基于滚珠丝杠的磁电自供能磁流变阻尼器，该阻尼器采用串联式结构，将阻尼器和集能装置集成在一起，对阻尼器和集能装置进行了设计，分析了装置的阻尼力，集能装置的输出电压电流的计算公式，并对系统进行了参数识别。随后基于一个五层的建筑隔震模型设计自供能隔震系统，通过仿真分析，对比了系统内置的控制策略与其他几种主动、半主动、被动控制策略在四种地震波激励下的控制效果，结果表明磁电自供能控制系统在不同强度的四种地震波作用下，均能跟踪主动控制和限界最优控制，控制效果优于最优被动控制。

彭少俊[139]提出自供电自传感磁流变阻尼器，该阻尼器采用并联式结构，采用滚珠丝杠和盘式永磁发电机作为集能装置，对空载和负载下的电压、电流功率以及阻尼力进行了仿真分析和试验验证，提出了一种基于输出电压包络线的状态自传感解决方案。

3 展望

对叠层橡胶隔震支座和磁流变阻尼器的数据监测与损伤识别、性能演化与可靠性评估、自适应自供能特性三方面研究现状分别进行了总结，提出亟需研究的关键科学与技术问题。

对于叠层橡胶隔震支座：

(1) 橡胶隔震支座沿轴向呈周期性的特点，压电传感阻抗监测数据适于结构局部微小损伤精准识别。结合压电传感监测数据和周期系统局域化理论进行橡胶隔震支座多尺度损伤识别是是亟待解决的一大难题。

(2) 基于隔震支座监测数据，采用现代数据处理与系统识别技术，厘清正常服役条件下高阻尼橡胶隔震支座本构模型参数随温度变化及材料老化等的时变规律，从而定量分析隔震系统全寿命周期内时变性能，是一个亟待解决的关键科学问题。

(3) 已有的橡胶自修复技术只局限于橡胶材料本身，尚未应用到橡胶隔震支座中，有关橡胶隔震支座自修复技术的研究也鲜见报道。

对于磁流变阻尼器：

(1) 现有的简化模型既难以完整准确体现磁流变阻尼器的复杂动力特性，也不能准确模拟新型磁流变阻尼器的强非线性特性，因此研究无模型的磁流变阻尼器非线性特征十分必要。

(2) 一方面，磁流变阻尼器油路密封橡胶材料服役期荷载条件为多轴变幅荷载，目前还鲜见该条件下橡胶构件疲劳性能的研究，另一方面，磁流变阻尼器油路密封橡胶材料自修复技术能够有效保证磁流变阻尼器密封材料的可靠性，避免因密封材料破损而造成磁流变阻尼器性能降低甚至功能丧失，但该方面研究目前尚鲜见有报道。

(3) 虽然已有若干种自供能磁流变阻尼器的相关研究，但是自适应被动磁流变阻尼器减振控制机理还需要进一步明确，其最优参数确定方法还有待研究。