综述：使用粉煤灰和偏高岭土对水泥基灌浆料的性能优化与锚固性增强 程志远、 王一民、 杨俊鹏、 梁家琛、 胡嘉豪

《Buildings》：Performance Optimization and Anchorage Enhancement of Cement-Based Grouts Using Fly Ash and Metakaolin Zhiyuan Cheng, Yimin Wang, Junpeng Yang, Jiachen Liang and Jiahao Hu

　　摘要：阻尼器是结构抗震系统中关键的能量耗散部件。它们能够有效耗散地震能量，控制结构动态响应，并减轻主要结构构件的损伤。因此，在提高结构抗震韧性和减轻地震灾害方面发挥着重要作用。通过集成具有不同屈服阈值或能量耗散机制的多个单元，多级能量耗散阻尼器能够在不同的地震强度和频谱特性下实现顺序激活的能量耗散。它们拓宽了在不同地震强度下的能量耗散范围，并增强了循环稳定性和抗疲劳性。这种技术方法有效克服了传统单级阻尼器的固有局限性，如能量耗散能力不足和循环疲劳性能差的问题。本文系统回顾了多级能量耗散阻尼器的最新研究进展，重点探讨了四种典型类型的结构配置和抗震性能：分级屈服金属阻尼器、分级摩擦阻尼器、金属-摩擦混合阻尼器以及金属-粘弹性混合阻尼器。总结了相关的数值模拟和实验研究成果，并指出了该领域需要进一步深入探索的关键问题。

1. 引言
近年来发生的灾难性地震表明，建筑物在强烈地震作用下的极端脆弱性。2023年土耳其的Kahramanmara?地震（震级分别为7.7和7.6）对Kahramanmara?、Hatay、Gaziantep、Malatya、Ad?yaman等受灾严重地区造成了巨大的破坏。广泛的现场调查显示，钢筋混凝土和砌体建筑普遍发生倒塌和严重损坏，主要是由于地面运动超出了规范规定的设计谱，地震细节处理不充分以及施工质量差所致，导致巨大的人员伤亡和经济损失[1]。在如此强烈的地震作用下，建筑物承受着巨大的动态荷载。如果没有有效的能量耗散措施，结构可能会发生显著的塑性变形，关键的承重构件将遭受不可逆的损伤；在极端情况下，甚至可能导致整体结构失效或倒塌。在这种背景下，作为典型的被动能量耗散装置，阻尼器已在结构抗震设计中得到广泛应用。这些装置通过引入额外的能量耗散路径，显著降低了传递给主体结构的能量，从而提高了结构的安全性和韧性。目前主流的阻尼器类型包括金属屈服阻尼器、摩擦阻尼器、粘弹性阻尼器和粘性阻尼器[2]，它们在国内外工程实践中得到了广泛应用[3]。然而，这些传统阻尼器大多依赖单一的工作机制，在地震作用下存在能量耗散能力有限、有效频率带宽窄以及循环疲劳性能差等局限性。为了克服这些限制，研究人员提出了多级能量耗散的概念。多级能量耗散阻尼器是一种集成了多个具有不同屈服阈值或耗散机制的耗散元件的装置，使得这些元件能够在地震强度增加时顺序激活。这种配置不仅能在小震级地震下耗散能量，还能在中等和强震级地震下持续发挥能量耗散作用。此外，它还能显著改善滞回曲线的形状[4]，减轻主体结构的变形集中现象，并为突破传统单机制阻尼器的局限性提供有前景的技术方法，从而提升整体抗震性能。基于此，全球研究人员开发了多种新型的多级能量耗散阻尼器配置，主要包括分级屈服金属阻尼器、分级摩擦阻尼器、金属-摩擦混合阻尼器和金属-粘弹性混合阻尼器[5]。在结构设计优化和滞回性能表征等领域的研究也取得了进展。此外，此类阻尼器的优异抗震效果已通过循环试验、数值模拟和一些现场应用得到验证。

本文系统总结了多级能量耗散阻尼器的优势，分类了现有的主要类型，总结了其性能研究结果，并指出了当前的局限性。同时，概述了相关数值模拟和实验研究的进展。最后，本文讨论了多级能量耗散阻尼器未来的研究方向，旨在为后续的理论框架和应用提供指导。

2. 分级屈服金属阻尼器
分级屈服金属阻尼器是研究最为广泛的多级能量耗散阻尼器类型。这些阻尼器将多个具有不同屈服阈值或机制的金属耗散元件集成到一个整体中，随着地震强度的增加产生分级屈服能量耗散，从而提高承载能力并扩大能量吸收范围。主要的实现方法是通过改变设计参数（如力传递机制、截面几何形状和耗散钢板的材料属性）在单一组件内集成多个独立的工作单元，使各个单元的机械响应叠加形成多级屈服骨架曲线，如图1所示[6]。从机械角度来看，这些阻尼器采用叠加的双线性弹塑性本构模型，总阻尼力由简单解析公式（方程1）描述：F(u) = F1(u) + F2(u) [1]。图1显示了多级屈服阻尼器的骨架曲线。如图1清晰所示，多级屈服骨架曲线是由两个单元的单独骨架曲线叠加形成的，呈现三个不同的刚度阶段（K1、K2、K3），分别对应于初始弹性阶段、主要单元的首次屈服和次要单元的第二次屈服。这种配置实现了逐步的刚度降解和稳定的全滞回循环，从而在增加的地震荷载下实现分级能量耗散。与传统单级金属阻尼器相比，安装多级能量耗散阻尼器可以促进更均匀的结构塑性变形[5]，减少关键构件的损伤风险，并显著提升整体抗震性能。

2.1. 弯曲屈服型
弯曲屈服金属阻尼器通过构件的弯曲区域的塑性变形来耗散能量，其特点是具有较大的屈服位移和稳定的滞回行为[7]。通常通过伸缩配置、截面几何形状的优化或钢板排列成X形[11]、三角形[12]或U形[13]等特定形状来实现分级屈服响应[8,9,10]。在采用嵌套结构方面，Chen等人[10]提出了一种由两个不同尺寸的环形金属耗散单元组成的分级屈服金属阻尼器，如图2所示。作为一种同轴嵌套的中空多级阻尼器，在关键区域具有平滑的过渡过渡，以避免应力集中，实现了滚动弯曲变形和多段屈服。通过调整内外环的截面参数，内环在低震级地震下屈服并耗散能量，而内外环在中等至强震级地震下协同作用，从而提高能量耗散效率。实验结果验证了其独特的分级屈服行为和卓越的长期疲劳性能，在30个疲劳循环后强度衰减可以忽略不计。Wu等人[14,15]通过在内外管之间放置不同长宽比的耗散钢板，开发了一种多级屈服金属管状阻尼器。通过准静态循环试验，他们研究了不同长宽比组合对多级耗散机制的影响，并推导出关键性能参数的计算公式，为工程应用提供了理论基础。这种管状配置表现出稳定的整体响应、良好的变形和能量耗散能力以及可靠的分级屈服行为。此外，这种配置便于与抗屈曲系统集成，进一步提升了阻尼器的整体性能。图2展示了分级屈服金属阻尼器的结构。

2.2. 剪切屈服型
剪切屈服金属阻尼器通过薄钢板或剪切板等构件的塑性变形来耗散能量。这种类型的减震器具有紧凑的结构形式，易于在结构接头或网格区域安装。为了实现分阶段屈服，通常会将不同尺寸的剪切板串联或并联连接，或者通过改变耗能钢板上的开口等构造措施来调节屈服过程，从而优化其抗震性能。Tagawa等人[22]对集成了钢缝减震器的跷跷板耗能系统进行了六次循环测试，系统研究了剪切平面几何形状和连接方式对耗能的影响，为剪切型减震器的配置优化提供了依据。Ke等人[23]提出了一种可修复的多阶段屈服钢缝减震器，通过将两种类型的带缝钢板和刚性连接梁串联起来实现。采用具有稳定塑性变形能力的Q235B钢材，以确保可靠的屈服性能、稳定的滞回行为和地震后的可修复性。在低载荷下，弱缝钢板通过剪切变形耗散能量；而在高载荷下，强缝钢板和弱缝钢板都会发生剪切变形，表现出多阶段的抗轴能力。实验结果表明，该减震器具有良好的耗能能力和延展性，并展现了出色的地震后修复性能。由于其易于制造和可修复性，这种减震器在实际抗震减灾中具有较高的成本效益。Bu等人[24]开发了适用于剪切型金属减震器的恢复力模型和参数识别方法，并提出了适用于结构系统分析的剪切恢复力模型。基于将多块剪切板串联和并联的方式，Yang等人[25]设计了一种由两块U形低碳钢板、三块X形低碳钢板以及刚性连接钢板组成的双剪切减震器，如图5所示。通过调整每块钢板的几何形状和材料性能，U形元件在小位移阶段先行屈服并耗散能量，而X形钢板在大位移阶段开始工作，从而实现减震器的全范围稳定滞回曲线。为了促进分阶段耗能概念的实际应用，Yang等人[26]开发了一种新型的并行双阶段履带形剪切减震器（PDCSD），该减震器由内外履带形钢板并联组成，并配备有约束板和载荷传递系统。减震器主要通过双阶段钢板的小塑性屈服和滞回变形来耗散能量。内部和外部履带钢板使用低屈服点的LY225和Q235钢材，以实现不同变形水平下的异步屈服；而载荷传递和约束部件则采用高强度的Q345钢材，以保持弹性。这种材料匹配确保了稳定的异步双阶段机制和疲劳性能。由于采用薄壁钢板且制造和组装简单，该减震器在工程应用中具有较高的成本效益。全尺寸低周反向加载测试验证表明，如图6所示，该减震器表现出清晰的双阶段屈服特性和完整对称的滞回曲线。

在利用开口实现多阶段屈服方面，Shang等人[27]提出了一种由两块具有不同尺寸抛物线形开口的低碳钢耗能板组成的耗能装置，基于这种带有抛物线形开口的低碳钢减震器，从而实现了多阶段耗能。通过数值模拟系统研究了截面尺寸和开口参数对这种减震器的影响，结果表明开口形状和尺寸是决定装置是否同时发生截面屈服或分阶段屈服的主要因素。在此基础上，Fan等人[28]设计了一种结合抛物线形穿孔、低屈服点钢材和Q235钢材的两阶段耗能装置，如图7所示。研究证实特定的开口形状可以带来更完整的滞回曲线和显著的多阶段耗能特性。然而，开口边缘容易产生应力集中，因此需要使用圆角和局部加固细节来提高疲劳性能。

在实际应用中，剪切屈服型金属减震器具有紧凑的形式，可以在结构接头中灵活布置。大多数配置通过串联-并联组合或开口优化实现稳定的全范围滞回行为，并具备满意的多阶段耗能能力。钢缝和履带形减震器表现出良好的地震后修复性能和成本效益，而穿孔剪切减震器则容易在开口边缘产生应力集中，需要局部加固措施。尽管已经提出了相应的恢复力模型和分析方法，但针对工程实践的统一设计规范和施工指南仍然不足，这些减震器的疲劳性能和长期服役行为仍需进一步系统研究。表2总结了典型剪切屈服减震器的优点、局限性和应用场景。

2.3. 轴向屈服型
轴向屈服型金属减震器通过受拉和受压时轴向加载构件的塑性变形来耗散能量。典型示例包括屈曲约束轴向减震器（BRADs）[29]和屈曲约束支撑件（BRBs），这两种减震器广泛应用于抗震保护和结构振动控制。在此基础上，通过调整屈服核心的配置、约束机制和载荷传递路径，开发出了分阶段屈服特性，从而形成了串联、并联和混合配置的双阶段屈曲约束支撑件（DYBRBs）。在这些分阶段屈服衍生产品中，串联配置的DYBRBs是一个重要的研究方向。它们通过将不同屈服强度和截面尺寸的BRB单元串联起来，并结合带孔限制约束机制，实现分阶段屈服和耗能。Pan等人[30]提出了一种双阶段屈服BRB（DYB），它由两个不同屈服强度的传统BRB串联组成，并配有带孔的约束机制，如图8所示。在外力作用下，较小BRB的最大变形被限制在预定范围内。随着力的增加，约束机制被激活，支撑件的变形主要集中在较大的BRB上。对三个试样的准静态测试表明，这种新型支撑件表现出良好的延展性和稳定的重复滞回行为。在此基础上，Kazemi等人[31]提出了一种新型的钢缝减震器-双阶段屈曲约束支撑件（SSD-DYB），其中钢缝减震器作为第一阶段耗能单元与DYB串联连接。带孔限制机制实现了对两阶段变形的精确控制：钢缝减震器首先屈服以在小地震中耗散能量，大大提高了小变形下的能量耗散效率。该系统具有轻量化且可更换的核心，以及更完整的滞回曲线。Xiong等人[32]开发了一种可修复的双阶段屈曲约束支撑件（RDYB），采用全螺栓连接方式，由不同截面宽度的短核心板和长核心板串联组成，并配备位移限制装置。核心板和约束部件均采用Q235钢材；耗能核心依次屈服，而约束部件保持弹性，确保稳定的双阶段性能和可修复性。短核心板在小到中等地震作用下首先屈服以耗散能量，当达到位移限制时长核心板被激活以提供二次承载能力。核心板可以单独更换而无需拆卸外部约束板，这大大简化了地震后的修复工作并降低了修复成本。循环测试结果表明，RDYB表现出稳定的双阶段滞回行为，其屈服强度和滞回性能在更换核心板前后基本一致。

并联配置的DYBRBs采用多块具有不同屈服强度的耗能核心并行布置并协同承载力。Sitler等人[33]提出了一种新型的多阶段BRB，由两个低屈服点（LYP）钢材耗能核心（屈服强度和屈服长度较小）和一个高屈服点（HYP）钢材耗能核心（屈服强度和屈服长度较大）组成。LYP钢材在小地震下首先屈服以耗散能量，而HYP钢材提供弹性恢复力以减少残余位移；这种材料组合实现了分级屈服和残余位移的控制。关键参数（如核心强度等级和屈服长度比）可以准确调节屈服顺序、能量耗散效率和屈服后的刚度，以实现预期的三线性滞回行为。串联配置的DYBRBs在焊接接头和核心拼接处容易产生应力集中，而并联配置的双阶段屈服BRBs（PDY-BRBs）则具有更均匀的力分布和减轻的局部应力集中，因此比串联类型具有更优的低周疲劳寿命。Azizi等人[34]基于Coffin-Manson疲劳模型和Miner损伤指数，量化了不同钢芯（LYP、HSS、UHSS）PDY-BRBs的疲劳性能，并确定了避免低周疲劳断裂的最小屈服长度。结果表明，缩短LYP核心长度可以减小HSS核心的塑性应变约20%，并增强自中心能力，但会显著增加LYP核心的塑性应变幅度，这需要在抗震设计中加以平衡。此外，使用连续间隔板和合理的螺栓间距可以有效缓解约束系统角部的局部应力集中。全螺栓连接方式还表现出优于焊接连接的长期疲劳性能。Azizi等人[35]开发了一种同步双阶段屈曲约束支撑件（SDY-BRB），由一个中央LYP钢材核心板和两个平行HSS管组成，外部约束管防止其屈曲。低屈服点钢材用于早期能量耗散，高强度钢管提供屈服后的刚度和部分自中心能力；这种材料组合实现了分级屈服和减小的残余位移。如图9所示，SDY-BRB表现出饱满、对称的滞回曲线和较高的承载能力及稳定的屈服后刚度。其全钢制、无砂浆的构造提高了制造和维护的成本效益，有效提升了结构的抗震韧性。Yang等人[36]开发了一种新的并行双阶段屈曲约束支撑件（PDYBRB），包括并行核心系统、载荷传递系统和约束系统，其中第一阶段核心和第二阶段核心并行布置并异步激活。载荷传递系统在第二阶段核心上采用带孔设计，并通过固定在第一阶段核心上的载荷传递螺栓实现两阶段核心的顺序激活，同时平面内和平面外的约束以及PTFE低摩擦板有效防止了核心系统的屈曲。推导了骨架曲线和载荷传递螺栓的理论方程，全尺寸循环测试验证了PDYBRB表现出清晰的四段骨架曲线和稳定的全范围滞回行为，且强度和刚度未下降。

Wu等人[37]开发了一种多阶段屈服和失效金属套管减震器（MMD），采用带孔的外钢管，这是一种典型的轴向屈服多阶段减震器，具有空心/镀层结构；它采用串联-并联混合布局，内管、外管和耗能模块串联连接，钢条并联布置，利用在不同强度地震下依次屈服的钢条实现双阶段耗能。耗能钢条末端明显存在局部应力集中，这是控制疲劳失效的关键部位，钢条的宽高比对其低周疲劳性能有显著影响——宽高比较小的钢条疲劳抗力较差，失效较早；而宽高比较大的钢条疲劳耐久性较好。此外，使用低屈服点钢材（LYP160）可以显著提高疲劳延展性，基于LYP160的MMD（67.25）的位移延展系数是基于Q235B的MMD（27.33）的2.46倍，多阶段失效机制避免了所有组件的同时失效，有效提升了多阶段减震器的长期循环疲劳性能。轴向屈服型金属减震器通过轴向加载构件的塑性变形来耗散地震能量，通过设计屈服核心布局、约束机制和载荷传递路径实现分阶段屈服。系列配置的DYBRB（双импульсные бамперы с различным процессом работ）表现出顺序性的屈服特性，并具有明显的阶梯状骨架曲线；而并联类型的对应装置则提供了更高的初始刚度、更完整的滞后回线以及更优的残余漂移控制能力。混合配置进一步结合了这两种形式的优点，以提高延展性、可替换性和地震后的韧性。DYBRB这种减震器具有较高的承载能力和稳定的滞后行为，而采用可更换芯的螺栓连接组件则有效增强了其地震后的可修复性。然而，包括循环载荷下的疲劳性能和屈服阈值匹配等问题仍需进一步优化。表3总结了典型轴向屈服减震器的优点、局限性和应用场景。

2.4 剪切-弯曲组合屈服型
剪切-弯曲组合屈服型金属减震器通过串联、并联或耦合的方式整合剪切屈服和弯曲屈服组件，实现多阶段能量耗散机制。这类减震器的特点是在弯曲屈服之前先发生剪切屈服，或者表现出剪切-弯曲的协同作用。这使它们能够在不同地震强度下平衡能量耗散效率，并保持稳定的循环性能。Cheng等人[4]提出了并完善了三阶段屈服设计概念，然后通过将剪切屈服的矩形板与内外U形弯曲钢板结合，并通过内外连接板进行整合，开发出一种多阶段能量耗散减震器，如图10所示。有限元分析表明，该减震器在其各个能量耗散组件中表现出顺序性屈服特性，从而在不同的地震强度下形成完整的滞后曲线并增强了能量耗散能力。Zhang等人[38]提出了一种改进的双阶段屈服混合减震器，由U形减震器（UDs）与钢缝减震器（SSD）组成。所有组件均采用Q235结构钢制造，因其具有稳定的屈服强度和良好的塑性变形能力，确保了减震器的顺序屈服行为和稳定的能量耗散。起初，主要组件消耗能量，而次要组件在螺栓在滑槽中滑动时保持弹性；当螺栓到达滑槽末端时，次要组件被触发并与主要组件协同工作以共同耗散能量。如图11所示，该减震器在不同设计配置下均表现出完整的、稳定的滞后回线，并具有明显的双阶段屈服特征。使用ABAQUS和OpenSees建立的有限元模型进行的机械性能分析表明，该减震器具有稳定且出色的能量耗散能力。由于Q235钢板和螺栓连接的广泛可用性，这种减震器在工程应用中具有较好的成本效益。Yang等人[39]通过增加低碳钢杆来改进传统的弯曲钢板减震器，开发出一种弯曲-剪切组合的渐变屈服减震器。有限元分析表明，与传统配置相比，该减震器的刚度和多阶段能量耗散能力得到了显著提升。然而，其能量耗散能力受到杆径以及弧形板半径和厚度的影响。

为了解决某些配置中阶段屈服效果不明显的问题，Yu和Chen[40]提出了一种新型的渐变屈服金属减震器，主要由X形和三角形能量耗散钢板以及隔板组成。通过调整三角形钢板与隔板之间的间隙，以及两种能量耗散钢板的不同刚度和屈服位移，实现了双阶段屈服。测试结果表明，第二阶段的承载能力显著高于第一阶段，同时具有稳定的机械性能和明显的能量耗散分级。为了确保阶段屈服的有序实现，Zhang等人[41,42]开发了一种防屈曲渐变屈服金属减震器。通过在剪切能量耗散板的两侧安装防屈曲板，并对称布置K形弯曲元件，调节不同能量耗散板的屈服位移以实现阶段屈服。循环测试和有限元分析表明，防屈曲板有效抑制了剪切能量耗散板的平面外屈曲变形，促进了更高模式的屈曲变形，从而提高了减震器的承载能力，使阶段屈服特性更加明显，并增强了能量耗散能力。

剪切-弯曲组合屈服金属减震器通过整合剪切屈服和弯曲屈服组件实现多阶段能量耗散，通常表现出顺序或协同的剪切-弯曲作用，以在不同地震强度下平衡能量耗散效率和循环稳定性。大多数配置（如剪切-弯曲串联-并联组合和防屈曲渐变屈服设计）由于使用常见的Q235钢板和螺栓连接，表现出明确的阶段屈服特性、完整的滞后行为和良好的成本效益。然而，某些配置中的阶段屈服效果不明显，其性能对几何参数（例如杆径、弧形板尺寸）和防屈曲设计细节非常敏感。尽管有限元分析和循环测试已经验证了它们的机械性能，但工程应用中仍缺乏统一的设计规范，且组分匹配对长期疲劳性能的影响需要进一步研究。表4总结了典型剪切-弯曲组合屈服减震器的优点、局限性和应用场景。

3. 阶段摩擦减震器
摩擦减震器以其高能量耗散效率而成为减震装置研究的热点，并已应用于实际工程中[43]。多阶段摩擦减震器通常通过调整螺栓预载或修改摩擦界面几何形状来建立分级能量耗散机制，从而在地震载荷下顺序激活能量耗散单元。这种设计显著增强了能量耗散能力，并提高了对不同地震强度的适应性[44]。从机械特性的角度来看，多阶段摩擦减震器遵循基于经典库仑摩擦理论的混合弹性-库仑摩擦本构模型。力-位移关系由分段解析数学模型控制，其中阻尼力由摩擦系数、摩擦表面数量和螺栓预载决定，如公式（2）所示：
$$ F = m_n f_{pre}\mu $$ （2）
式中，$ F $ 是摩擦减震器的输出力，$ m $ 是摩擦表面的数量，$ n $ 是螺栓的数量，$ f_{pre} $ 是高强度螺栓的预载力，$ \mu $ 是平面装置的动摩擦系数。

对于旋转式双阶段摩擦减震器，分段力通过力矩平衡和杠杆放大机制进一步校准[46]。如图13所示，骨架曲线呈现出典型的双平台矩形形状，具有两个明显的滑动力水平（第一阶段单元为FA，第二阶段单元为FC），对应于能量耗散组件的顺序激活。刚度从初始的高弹性刚度$ K_1 $ 逐渐降低，在每个阶段滑动后几乎降为零，显示出明显的分阶段退化，第二阶段刚度$ K_2 $ 在第一阶段屈服后激活。阶段激活阈值由两个关键参数定量控制：旋转减震器的预设角度间隙和相应初始位移$ u_{ini }$，以及串联双阶段减震器的差异螺栓预载和滑动位移，从而实现能量耗散阶段之间的有序切换。

Yang等人[45]设计了一种双阶段摩擦减震器，通过将具有不同预载水平的两个摩擦元件串联连接。测试和有限元分析表明，这种创新减震器产生了稳定的滞后响应，并表现出明显的双阶段能量耗散特性，为多阶段能量耗散技术提供了有前景的方法。Huang等人[46]提出了一种新型旋转式双阶段摩擦减震器，通过旋转板与内板之间的间隙实现双阶段能量耗散特性，并利用杠杆机制来增加承载能力并提高变形以增强能量耗散效率。对六个样品的实验研究表明，这种新型减震器具有稳定的滞后行为和出色的双阶段能量耗散能力。随后，Huang等人[47]进一步优化了减震器端板与连接板之间的焊接连接。通过在端板设计中加入滑槽，有效抑制了连接处的滑动和应力集中，同时防止了减震器中的轴向拉伸应力，显著提高了能量耗散能力。关于可变摩擦，Huang等人[48]提出了一种可变摩擦减震器，它结合了双阶段能量耗散和可调刚度特性。该减震器由平面钢板、带滑槽的钢板、高强度摩擦螺栓和盘式弹簧组成，平面摩擦表面采用非石棉有机摩擦垫和钢摩擦板。对两个样品的系列测试表明，增加螺栓预载显著增强了平面段的摩擦力，而增加盘式弹簧组件的斜坡角度和刚度则显著提高了整体刚度和斜坡段的摩擦阻力。

在自中心多阶段能量耗散方面，Li等人[49]开发了一种双阶段自中心摩擦减震器，它将分段摩擦能量耗散与自中心功能结合起来。研究结果表明，这种新型减震器表现出稳定的双阶段滞后特性，残余位移可以忽略不计，并能在中度和轻微地震下为结构提供有效的能量耗散。Yang等人[50,51]通过串联连接平面摩擦装置（FSFD）和楔形摩擦装置（WSFD）开发了一种双阶段摩擦自中心减震器，其中包含了自中心组件。在初始阶段，FSFD提供了大部分能量耗散；在高需求下，楔形摩擦装置与自中心组件共同贡献额外的耗散并实现自中心功能。研究结果表明，调整摩擦系数和螺栓预载可以有效调节减震器的能量耗散能力和自中心性能。Bai等人[52]提出了一种双阶段摩擦自中心减震器，由传统的摩擦减震器和氮气弹簧辅助的自中心摩擦单元组成，两者之间有可调的滑动间隙。采用NM450耐磨钢和片状黄铜作为摩擦界面，以确保稳定的能量耗散；Q355钢作为结构部件，氮气弹簧（NGS）用于自中心，以实现无需初始预压力的稳定恢复力。如图16所示，该减震器表现出明显的双阶段滞后特性（第一阶段为矩形回线，第二阶段为旗形回线），实验结果和仿真结果一致。实验研究表明，这种减震器具有完整的滞后曲线和强大的能量耗散能力，并能在重大地震后实现可靠的自中心功能。由于采用低成本的氮气弹簧而非昂贵的SMA或盘式弹簧，该减震器具有显著的成本优势。

阶段摩擦减震器以其高能量耗散效率为特点，其多阶段能量耗散主要是通过调整螺栓预载或优化摩擦界面几何形状来实现的。典型配置包括串联双阶段、旋转双阶段和自中心双阶段类型，所有配置都表现出稳定的滞后行为和明显的阶段能量耗散特性。一些自中心设计可以有效减少残余位移并具有成本优势，但这些减震器的性能对螺栓预载、摩擦系数和几何参数非常敏感。此外，连接处的滑动和应力集中是常见问题，目前仍缺乏阶段摩擦减震器的统一设计规范和应用指南。表5总结了典型阶段摩擦减震器的优点、局限性和应用场景。

金属减震器具有明显的能量耗散机制和稳定的滞后性能。然而，它们在低至中等地震事件中可能由于初始刚度过高或屈服位移过大而限制了能量耗散能力。相比之下，摩擦减震器在小位移下表现出稳定的能量耗散，但在动态调整摩擦力方面存在挑战，这限制了它们对不同地震强度的适应能力。金属-摩擦混合减震器通过调节金属能量耗散单元与摩擦能量耗散单元之间的参数匹配关系，实现顺序激活和协同能量耗散。从机械和分析角度来看，金属-摩擦混合减震器采用了结合了金属屈服组件的双线性弹塑性行为和滑动界面的库仑摩擦本构关系的耦合本构模型。力与位移的关系遵循一种分段的解析数学模型，该模型基于金属抗力与摩擦力的叠加原理得出，具体表达式如方程（3）所示。其中摩擦力（方程（4）受螺栓预紧力、摩擦系数和接触面积的影响[54]；而金属力Fm则遵循屈曲约束芯或开缝钢板的三线性屈服规则[55]。F(u) = Fm(u) + Ff(u) (3) Ff = nbμPb (4) 其中F(u)为混合阻尼器的总抗力；Fm(u)为金属屈服抗力；Ff(u)为摩擦滑动力；nb为螺栓数量；μ为滑动力系数，在测试中校定为0.3；Pb为螺栓预紧力。如图17所示，金属-摩擦混合阻尼器的典型三线性骨架曲线明显分为三个不同的阶段：(1)初始弹性阶段（OA），具有弹性刚度K1，此时阻尼器表现出弹性行为，总刚度由金属单元和摩擦界面共同提供；(2)摩擦滑动阶段（AB），此时的力水平接近水平，摩擦单元开始工作以耗散能量，导致刚度显著下降；(3)屈服-摩擦增强阶段（BC），此时金属芯发生塑性屈服，摩擦单元继续协同工作，使承载能力增加，直至达到最大力Fm[56]。阶段的切换阈值由两个关键参数决定：由槽孔间隙或螺栓间隙控制的预设滑动位移，以及由截面面积和材料强度校定的金属组件的屈服位移，确保在小到大的地震载荷下能量能够有序耗散。图17. 典型金属-摩擦混合阻尼器的骨架曲线。

基于传统弯曲或剪切金属阻尼器的研究成果，Zhou等人[57]将低碳钢与摩擦元件结合，提出了一种混合型钢屈服-摩擦能量耗散器。该装置具有三阶段工作特性：在轻度地震时提供刚性；在中等强度地震时激活摩擦单元以耗散能量；在强烈地震时金属环发生屈服以进一步耗散能量。基于这种三阶段响应机制，作者提出了相应的三线性恢复力模型，为结构地震分析提供了理论支持。Lee等人[58,59]开发了一种结合非均匀钢带阻尼器和摩擦元件的混合阻尼器，并进行了准静态测试。研究表明，该阻尼器具有稳定的迟滞响应，能量耗散单元能够按预期分阶段启动。然而，其有效性仍需在全尺寸框架结构测试中进一步验证。Duan等人[60]通过将相同的X形弯曲钢板与双摩擦铰链阻尼器结合，开发了一种复合型能量耗散阻尼器，如图18所示（(a)混合阻尼器的整体示意图，(b)摩擦铰链机构的详细示意图）。在低强度地震载荷下，摩擦阻尼器耗散能量，而金属屈服单元保持弹性；在中等和高强度地震载荷下，两个组件共同参与能量耗散。实验结果表明，该装置在保持高承载能力的同时，在强烈地震下仍能表现出分阶段能量耗散特性。Ke等人[55,61]通过将摩擦阻尼器与钢开缝板阻尼器结合，设计了一种支柱型混合阻尼器。由于Q235钢具有良好的塑性和易于制造的特点，被选用于开缝板；摩擦界面和高强度螺栓确保了稳定的摩擦能量耗散。如图19所示，该阻尼器表现出明显的分阶段迟滞行为，摩擦控制阶段和混合能量耗散阶段呈现完整的、逐渐扩展的迟滞循环。准静态循环测试和有限元分析表明，该阻尼器有效地提高了结构的能量耗散能力和延性。通过激光切割和螺栓组装，该阻尼器在工程应用中具有低成本和高成本效益。

为了进一步提升阻尼器的分级能量耗散效果，Cai等人[62]提出了一种分段能量耗散的摩擦-金属混合阻尼器，通过串联连接金属条能量耗散元件和摩擦能量耗散单元实现。这种阻尼器在小位移阶段通过摩擦耗散能量，而在大位移阶段金属条进入塑性状态并与摩擦单元协同工作，展现出有利的分阶段能量耗散特性。Yan等人[63]通过结合铅挤压和摩擦单元，提出了一种铅挤压-摩擦混合阻尼器，其上部具有铅挤压能量耗散功能，下部装有可调节的预紧摩擦板，如图20所示。研究结果表明，通过调整螺栓位置可以实现不同设计目标的机械性能要求，适应小到大位移范围内的连续能量耗散。然而，制造公差需要进一步减小以提高性能稳定性。Ke等人[64]提出了一种结合可变摩擦装置和锥形条金属能量耗散装置的混合自中心阻尼器。该阻尼器通过碟形弹簧实现自中心功能，小位移阶段以摩擦能量耗散为主；当位移超过预设滑移值时，锥形条金属能量耗散与摩擦单元协同工作，表现出明显的分级能量耗散特性。Zhang等人[65]通过集成可变摩擦阻尼器、开缝钢板阻尼器和带槽孔的调节机构，开发了一种新型多阶段混合阻尼器。通过修改钢板开缝宽度和纵横比，可以实现迟滞曲线形状的灵活调节。实验研究表明，该阻尼器具有显著的多阶段能量耗散机制，在循环载荷下表现出稳定的性能和优异的能量耗散能力。图20. 铅挤压摩擦混合阻尼器。基于BRB（螺栓连接阻尼器）的优异迟滞特性，Zhang等人[66]在传统BRB的一端的核心板和加劲件上钻孔，然后使用高强度螺栓将其与摩擦阻尼器串联连接，如图21所示。通过改变高强度螺栓的预紧力，可以调节摩擦元件的工作状态，实现在不同位移水平下的分段屈服和能量耗散。低循环次数循环测试表明，该阻尼器表现出完整的迟滞曲线和稳定的滑移阻力，但其抗疲劳性能仍需进一步验证。Zhou等人[56]采用类似的方法，将BRB与摩擦阻尼器结合，提出了一种摩擦-屈服复合BRB（FBRB），该阻尼器具有自适应被动控制和多阶段能量耗散能力。摩擦阻尼器（FD）与BRB核心板并联布置，并通过高强度螺栓与BRB外管串联连接。准静态反向循环测试证实，FBRB在频繁地震中保持弹性行为和稳定的摩擦阻尼效果；在强烈地震中表现出结合屈服-摩擦的能量耗散效果，具有完整的迟滞曲线和明显的双阶段工作特性。即使在极端载荷条件下，FBRB也能保持结构完整性和能量耗散能力，优于传统BRB。Lu等人[54]提出了一种结合补充摩擦耗散功能的屈曲约束阻尼器。在这种配置中，由小屈服段（SYS）和大屈服段（LYS）组成的内芯与摩擦装置并联，确保稳定屈服。内部核心和外部管采用Q235B钢，摩擦板采用H62黄铜，以提供稳定的摩擦力。摩擦装置提供了额外的能量耗散路径，SYS和LYS的串联布置实现了双重刚度和分阶段能量耗散行为。对九个样本进行的准静态循环测试表明，该阻尼器表现出明显的分阶段能量耗散特性和稳定的迟滞响应。尽管摩擦单元在整个工作过程中增强了能量耗散效果，但LYS的最大应变增加对低循环疲劳寿命产生了不利影响。这种全钢和黄铜的结构配置无需砂浆，制造简单且成本效益高。图21. 混合摩擦屈曲约束支柱。

金属-摩擦混合阻尼器结合了金属材料的高弹性模量特性和粘弹性材料的高阻尼特性，通过金属单元的塑性变形和粘弹性单元的剪切变形协同作用实现能量耗散。这些阻尼器表现出结合了位移依赖性和速度依赖性阻尼机制的复合机械行为，能够在不同地震强度下实现多阶段屈服能量耗散，满足振动减缓要求。从机械和分析的角度来看，金属-粘弹性混合阻尼器采用了一个耦合本构模型，该模型结合了金属屈服单元的双线性弹塑性行为和基于广义Voigt元素的应变及频率依赖性粘弹性本构模型。力与位移的关系遵循一个分段的解析数学模型，具体表达式如方程（5）所示，其中Fm表示由屈服后刚度Kul控制的位移依赖性金属力，Fve表示由剪切变形决定的速度依赖性粘弹性力[67]。图22显示，这种混合阻尼器的典型多段骨架曲线明显分为两个阶段：初始刚性阶段（OA），在小变形时主要由粘弹性剪切层主导；当金属芯达到阈值位移δA后，转变为屈服后刚度Kul主导的阶段[68]。刚度的变化呈现出明显的梯度模式：初始组合刚度Kst为风致振动控制提供了高刚性；达到预设激活阈值δA后，刚度下降，系统进入以金属屈服为主导的协同工作阶段，确保在多级地震激励下稳定的能量耗散。阶段的切换通过δA定量控制，可以通过匹配粘弹性剪切能力和金属屈服强度来实现[69]。

Zhou等人[70,71,72,73]系统研究了包含铅-橡胶和铅-粘弹性耦合梁的混合阻尼器，并通过循环测试和有限元模拟验证了这种混合配置在能量耗散能力和抗疲劳性能方面的优势。他们还提出了在框架节点区域布置这些装置的策略，以方便工程安装[74,75]。Marshall和Charney[76,77]提出了一种新型混合被动控制装置，由高阻尼橡胶元件与BRB串联连接。该阻尼器在小位移阶段由橡胶单元耗散能量，大位移阶段由BRB参与。有限元结果验证了这种分阶段能量耗散机制的有效性。Aguaguina等人[67]系统评估了由BRB和粘弹性阻尼器组成的三种支柱型混合阻尼器的地震性能：并联、串联以及引入间隙的新型配置。对包括迟滞响应、能量耗散、楼层位移和基础剪力在内的关键指标的非线性响应历史分析表明，并联配置在地震强度增加时提供了最平衡的地震控制效果。其能量耗散模式从以粘弹性阻尼器为主逐渐转变为以BRB为主，适应不同震级的地震。为了防止单个组件的故障导致整体性能下降，Chen等人[78]提出了一种新的复合能量耗散器配置，该配置包括一个O型钢板金属阻尼器与高阻尼粘弹性阻尼器并联连接，并与端板、加强梁和螺栓连接接口集成，如图23所示。实验结果表明，在小变形阶段，这种并联配置主要依靠粘弹性单元进行能量耗散，而在大变形阶段，两个组件则协同工作。即使单个组件发生故障，整个系统仍能保持稳定的能量耗散能力。图23. O型钢板和高阻尼粘弹性复合能量耗散器。利用剪切型金属阻尼器的配置优势，Li等人[79]提出了一种新型混合能量耗散器，将粘弹性材料与低碳钢剪切板串联连接。在风诱导振动或轻微地震激励下，粘弹性材料层发生剪切变形以耗散能量；在中等到强烈地震激励下，低碳钢剪切板进一步发生剪切变形并进入屈服状态，与粘弹性材料共同形成双机制能量耗散系统。循环测试验证了这种阻尼器具有良好的抗震性能和分阶段能量耗散能力。Hu等人[80]开发了一种新型金属-粘弹性混合阻尼器，由上层粘弹性阻尼器和下层剪切钢板阻尼器组成。研究表明，在频繁和罕见的地震情况下，这种新型混合阻尼器都能有效耗散地震能量，显著减轻建筑结构的振动。Pan等人[68]提出了一种新型可更换的两阶段耦合梁阻尼器，通过将粘弹性能量耗散单元与金属剪切单元串联连接，并结合位移触发限制机制。使用Q355B钢作为结构部件以确保弹性刚度，LY160低屈服钢作为剪切板以便在大变形时稳定屈服，以及粘弹性材料用于小位移阻尼；这种材料组合确保了分阶段能量耗散。如图24所示，该阻尼器展现出完整且逐级扩展的迟滞循环，显著提高了主结构的抗震性能。由于能量耗散段是可更换的，地震后只需更换受损部件，大大降低了维修成本并提高了成本效益。Ke等人[69]开发了一种新型混合阻尼器配置，由抗屈曲不锈钢板与两侧对称布置的两个粘弹性阻尼器并联连接。实验和数值模拟表明，这种阻尼器在受到不同强度动态载荷的结构中实现了稳定的多级振动控制，尽管其承载能力受载荷频率和环境温度的显著影响。图24. 新型可更换的两阶段耦合梁阻尼器的迟滞曲线。近年来，形状记忆合金(SMA)因其超弹性和自中心特性而在地震减灾应用中受到广泛关注。Baikuntha等人[81,82]提出了一种自中心超弹性-粘弹性混合阻尼器，通过将超弹性SMA与粘弹性阻尼器并联连接，如图25所示。研究表明，这种混合阻尼器在重大地震后的余震中显著提高了结构性能。Shi等人[83]开发了一种混合自中心支撑(HSB)，将NiTi超弹性缆绳与粘弹性(VE)阻尼器并行组合。VE阻尼器被特别选择用于提高能量耗散能力同时保持可恢复性能，不同于金属或摩擦材料。原型建筑的实验测试和数值分析表明，HSB有效控制了楼层间漂移和加速度，SMA缆绳提供了自中心能力以最小化残余变形，VE阻尼器引入了额外的迟滞阻尼以增强能量耗散。Hu等人[84]通过将NiTi SMA U形阻尼器与频率依赖的粘弹性阻尼器并联，开发了一种新型混合自中心支撑。研究表明，这种混合装置在几乎没有残余位移的情况下显著降低了楼层间加速度响应，从而同时控制了结构和非结构损伤。图25. 超弹性粘性阻尼器。金属-粘弹性混合阻尼器结合了金属材料的高弹性模量和粘弹性材料的高阻尼能力，通过金属塑性变形和粘弹性剪切变形的协同作用实现分阶段能量耗散。它们具有位移依赖性和速度依赖性的机械特性，表现出明显的分阶段刚度演变，并具有良好的适应风振动和多级地震效应的能力。并联布局通常提供更平衡的地震响应，可更换或集成SMA的配置进一步提高了震后可修复性和自中心性能。然而，整体性能受载荷频率和环境温度的显著影响，粘弹性材料的长期耐久性仍有待提高。此类混合阻尼器的统一设计规范和工程应用指南仍然不足。表7总结了典型金属-粘弹性混合阻尼器的优点、局限性和应用场景。表7. 金属-粘弹性混合阻尼器总结。6. 其他重要的阻尼器类型 6.1. 粘性阻尼器流体粘性阻尼器(FVD)是成熟的速度依赖性辅助能量耗散装置，已广泛应用于地震和风振动控制[85]。与屈服阻尼器不同，它们通过粘性流体流动产生的阻力来耗散能量，对主体的刚度贡献通常有限。在多级能量耗散的背景下，FVD通常不依赖塑性屈服；相反，通过引入可变阻尼系数、调整流道或间隙几何形状或使用半主动旁路/阀门控制机制来改变阻尼力与位移或速度的关系，从而实现分阶段响应。粘性阻尼器的分阶段能量耗散实现方式已通过理论推导、性能测试和结构验证得到提出和验证。Shi等人[86]开发了一种与速度相关的可变阻尼粘性阻尼器(VDVD)，其中可移动圆盘由流体压力驱动以调整阻尼孔面积，阻尼系数随加载速度非线性增加；弹簧预压和孔口形状被确认为控制阻尼变化临界速度的关键参数。Xu等人[87]提出了一种基于环形间隙变化的三阶段可变阻尼系数流体阻尼器(VCVFD)，通过改变活塞内径实现位移依赖的分阶段能量耗散；其阻尼力和能量耗散能力在大位移时比传统阻尼器有更大的提升，振动台测试证明了其在高强度地震下的卓越地震缓解效果。Farahpour等人[88]开发了一种集成半主动自适应振动控制系统，包括半主动旁路流体阻尼器(SABFD)、PLC和模糊控制算法。该系统根据桥梁位移和阻尼器压力响应实时调整流体流量，实现低阻尼状态和高阻尼状态之间的连续转换，有效抑制桥梁结构的交通诱导振动。6.2. 橡胶阻尼器橡胶阻尼器，通常以高阻尼橡胶阻尼器和层压橡胶基器件为代表，主要通过剪切变形和材料迟滞耗散能量，而不是传统的塑性屈服。由于其高灵活性、稳定的恢复能力和相对简单的构造，它们被广泛用于地震隔离和振动减缓。在多级或分阶段的背景下，其响应通常通过调整橡胶配方、层配置和约束细节，或将橡胶元件与约束板、金属组件或自中心装置耦合来实现，从而使刚度和阻尼随变形需求逐步变化。橡胶阻尼器的分阶段能量耗散实现和性能验证已通过全尺寸测试、多轴加载研究和混合复合材料开发得到报道。Yu等人[89]提出了一种阻尼板约束隔震轴承(DP-bearing)作为分阶段摩擦阻尼隔离系统，其中预设的水平间隙设计用于在目标位移时依次激活剪切阻尼板和拉伸阻尼板；这种分层激活机制实现了明确的分阶段能量耗散和多方向约束，剪切阻尼板单独贡献了总能量耗散的70%以上，并且便于震后更换损坏的核心部件。Li等人[90]对高阻尼橡胶轴承(HDRBs)进行了六自由度准静态测试，揭示了橡胶器件的固有分阶段机械行为：HDRBs在小的剪切应变下表现出高初始刚度，在中等剪切应变下刚度降低，在大的剪切应变下刚度增加，轴向压力有效调节了分阶段刚度和阻尼的切换点，证实层配置和约束细节可以有意设计以调节渐进的力量-变形演变。Wei等人[91]通过将超弹性SMA缆绳与高阻尼橡胶阻尼器结合，开发了一种新型自中心SMA-高阻尼橡胶阻尼器，其中橡胶组件提供了稳定的迟滞耗散，SMA组件引入了可控的屈服后刚度和恢复力；这种混合设计在主震-余震序列下实现了阻尼和刚度的分阶段变化，显著减少了楼层间漂移并提高了结构的地震韧性。6.3. 基于SMA的阻尼器基于形状记忆合金(SMA)的阻尼器是通过应力诱导的马氏体转变、超弹性和形状记忆效应耗散能量的智能材料装置，同时提供自中心能力。与传统的屈服阻尼器不同，其多级或分阶段响应通常是通过将SMA元件以不同激活阈值组合、串联或并联排列，或嵌入间隙或轴承型子组件中实现的，以便随着需求的增加逐步激活不同组件。SMA基阻尼器的分阶段能量耗散实现方式已通过串行或并联配置、混合自中心机制和多级激活设计得到提出，并验证了其优越的自中心和地震韧性。Qiu等人[92]开发了一种双阶段SMA滑移摩擦阻尼器，由堆叠圆盘弹簧和SMA棒串联组成，其中复合弹簧系统实现了明确的双阶段屈服：圆盘弹簧在小位移时首先变形，随后SMA棒被激活以提供二次刚度和自中心能力；循环测试确认了对称的旗帜形迟滞、稳定的双阶段能量耗散，并且与单阶段SMA阻尼器相比增强了可变形性。Guo等人[93]提出了一种用于近断层桥梁保护的多级SMA缆绳阻尼器，由三级SMA缆绳并联组成，并设有预设的松弛长度以实现逐步激活和逐渐增加的刚度；数值模型考虑了SMA缆绳的强度降解和残余应变积累，地震脆弱性分析验证了该阻尼器在多种地震危险水平下显著降低了桥梁轴承和桥墩的损伤概率。Qu等人[94]发明了一种双自中心摩擦阻尼器(D-SCFD)，采用线圈弹簧和SMA元件并联实现双重自中心，并结合摩擦能量耗散模块；这种混合设计减少了SMA消耗，同时实现了分阶段的刚度变化和可控的残余变形，非线性时程分析证明了其在主震-余震序列下有效减缓多层钢框架的峰值和残余楼层间位移比。6.4. 多阶段阻尼器混合发展的展望总体而言，尽管粘性、橡胶和基于SMA的阻尼器并不总是严格意义上的多阶段阻尼器，但它们为新型多阶段或混合能量耗散系统的开发提供了有价值的机制和设计概念。通过将速率依赖性耗散、剪切迟滞和自中心功能与金属或摩擦组件通过串行、并联或耦合配置结合，这些装置可以实现分阶段激活、更宽的有效阻尼范围以及刚度、残余变形和震后恢复能力的改进控制。因此，这些类型应被视为不仅独立的阻尼解决方案，也是下一代具有增强地震韧性的混合阻尼器的重要组成部分。7. 关键讨论和工程影响 7.1. 阻尼器分布和优化方法在结构系统的地震设计中，阻尼器类型的选择只是一个核心环节；阻尼器在结构内的空间分布同样对整体地震缓解效果至关重要。即使阻尼器配置相同，不同的安装位置也会导致截然不同的结构动态响应、楼层间漂移分布和能量耗散效率。这种耦合效应对于分阶段能量耗散阻尼器尤其明显，因为它们的分阶段激活机制依赖于滑动阈值和结构级别的变形需求进行精确匹配。Alibrandi和Falsone[95]提出了一种基于预期的随机耗散功率的成熟最优布局方法。该方法最小化了主结构的预期随机耗散功率，并可以定量确定粘性或粘弹性阻尼器在随机地面运动下的最优分布、总阻尼能力和楼层阻尼系数的上限。已经在10层的剪切建筑物上进行了验证，表明优化布局可以有效地减少结构响应，同时平衡各层之间的能量分布。基于搜索的优化方法通过迭代寻找最佳阻尼器位置来确定最优布局，这种方法适用于解决具有离散变量的复杂组合优化问题。Takewaki等人[96]开发了一种最速下降方向搜索算法来最小化3D剪切建筑物的动态柔顺性。该算法可以逐步自动寻找最佳阻尼器位置，并通过参数切换来解决非单调优化路径和负阻尼系数问题，特别适合不规则结构的扭转振动控制。基于性能的优化方法以结构地震性能指标作为优化目标，覆盖频繁、中等和强烈地震下的多种性能水平。De Domenico和Hajirasouliha[97]提出了一种针对带有非线性粘性阻尼器的钢框架的多级性能优化框架，以最大层间位移比作为核心优化目标，并使用全局损伤指数作为关键评估指标。所提出方法的有效性通过3层、7层和12层钢框架的非线性时程分析得到了验证。因此，对于多级耗能阻尼器来说，阻尼器布局优化构成了一个耦合设计问题，它整合了配置选择、空间分布和参数匹配。上述三种典型的优化方法为实现有序的分阶段激活并在实际结构系统中充分发挥多级耗能优势提供了可靠的理论支持。

7.2. 制造公差和敏感性分析
多级耗能阻尼器依赖于多个具有不同工作阈值的耗能单元的顺序激活，这使得它们对毫米级的制造公差比传统的单级阻尼器更加敏感。几何尺寸、装配间隙或机械参数的微小偏差都可能容易破坏预设的屈服/滑动顺序，加剧局部应力集中，扭曲滞回行为，并降低低循环疲劳寿命。最敏感的参数包括槽孔的大小和位置、屈服段长度、钢板厚度、装配间隙、螺栓预压和焊接质量。Chen等人[98]通过数值研究探讨了制造公差对基于SMA的可变摩擦阻尼器初始刚度的影响，证实内部和外部摩擦板之间的0.2毫米装配间隙明显降低了初始刚度，而每个加载阶段的承载能力对该公差不敏感。Gao等人[99]对U形钢阻尼器进行了参数敏感性分析，发现直段长度、圆弧半径、板厚和宽度的变化会导致初始刚度的显著变化；增加直段长度和圆弧半径会降低初始刚度，而增加厚度和宽度则会产生相反的效果。Tamimi等人[100]采用机器学习辅助的有限元模拟来评估BRB的参数敏感性和可靠性，确定钢芯与约束填充物之间的间隙、钢-混凝土界面的摩擦系数以及钢芯的厚度/宽度是控制滞回性能和承载能力的最重要因素；间隙大小的毫米级偏差会直接改变局部屈曲模式和能量耗散稳定性。因此，多级阻尼器的良好分阶段耗能性能高度依赖于严格的制造精度。合理的公差控制和标准化的质量检验是确保工程应用中顺序激活机制和预期地震性能的必要前提。

7.3. 在实际工程中的适用性和局限性
不同类型的多级耗能阻尼器适用于不同的工程场景、经过验证的项目案例和实际约束条件，这些都与结构形式、地震加固强度、韧性要求和施工条件高度匹配。Hu等人[101]提出的带十字形芯的DYBRB适用于多层和高层钢筋混凝土框架结构、现有建筑的地震加固项目以及8度地震加固区域的框架结构。在一个经过验证的7层RC框架工程案例中（加固强度8，设计加速度0.3 g，总高度24 m），在层间支撑件上布置了DYBRB，数值结果显示，与未加阻尼的结构相比，频繁地震下的最大层间位移减少了43.27%，与传统的BRB结构相比减少了38.23%；在罕见地震下，层间位移分别减少了18.08%和6.3%，频繁地震下的能量耗散率达到了55.75%，远高于传统的BRB。然而，DYBRB也有明显的局限性：芯板的焊接质量直接影响分阶段屈服顺序，长度比、加固比和承载能力比需要精确控制，从而对制造和安装提出了高要求。Zhang等人[38]开发的由U形阻尼器和钢缝阻尼器组成的加强型双级屈服复合耗能阻尼器（RDSYCD）适用于钢框架结构和预制组装建筑，可以安装在梁-柱接头、人字形支撑件和地震隔离支座上。在一个5层刚连接钢框架工程案例中（加固强度8，场地等级II），在X和Y方向上对称布置了35个RDSYCD，结果显示，与原始钢框架相比，最大层间位移减少了49.9%，显示出优异的地震控制效果。RDSYCD可以通过槽孔灵活调整第二阶段的激活位移，适用于基于性能的地震设计。不过，RDSYCD具有结构复杂性：U形阻尼器的厚度和钢缝阻尼器的宽度是高度敏感的参数，UD和SSD之间的焊接连接需要高精度，分阶段的机械性能容易受到制造偏差的影响，从而增加了施工难度。Liu等人[102]提出的由摩擦阻尼器和自复位摩擦阻尼器串联组成的两级摩擦自复位阻尼器（TFSD）适用于需要严格控制残余变形的高韧性框架结构和建筑。在一个6层带支撑的办公楼案例中，使用TFSD支撑件替代了传统的BRB，参数分析和脆弱性分析表明，当强度比α = 0.3–0.7和间隙比γ = 0.5%时，峰值层间位移和楼面加速度最小化，残余层间位移控制在0.5%（可修复阈值）以内，抗倒塌能力优于BRBF和SCFDF。在考虑的最大地震下，峰值层间位移比单级自复位阻尼器框架减少了26%。TFSD的局限性在于：第一级摩擦单元没有自复位能力，且SMA螺栓的材料成本相对较高。

总之，多级耗能阻尼器的工程价值最终取决于配置、布局、成本和维护条件之间的平衡。

7.4. 地震后的维护和重新定位能力
地震后的结构韧性主要由两个耦合性能决定：地震后阻尼器的易修复性和有效的重新定位能力以控制残余位移。对于多级耗能系统，这两个指标直接决定了功能恢复的速度和地震后的修复成本。关于可修复和自复位多级阻尼器的代表性研究提供了以下明确的工程启示。Xiong等人[32]提出了一种可修复的双级屈服屈曲约束支撑（RDYB），采用全螺栓组装方式。其核心创新在于受损的短芯板和长芯板可以单独更换，无需移除沉重的约束板，大大简化了现场修复工作并降低了对起重设备的依赖。实验结果证实，修复后的RDYB的滞回性能、屈服强度和刚度几乎与原始样品一致，屈服强度的差异小于10%。然而，RDYB完全依靠钢材的屈服来进行能量耗散；其重新定位能力相对较弱，在强烈地震下会出现明显的残余变形。因此，地震后修复需要额外的结构重置施工。Ke等人[23]开发了一种可修复的多级屈服钢缝阻尼器（RMYD），由弱缝板、强缝板和通过螺栓连接的刚性连杆梁组成。弱缝板和强缝板分别作为第一级和第二级耗能单元，地震后可以独立拆卸和更换。测试结果表明，修复后的RMYD样品表现出与原始样品几乎相同的滞回响应、承载能力和能量耗散能力，证明了其优异的地震后修复性能。与传统金属阻尼器类似，RMYD的自复位能力来自未受损部件的弹性恢复，但这是有局限性的。残余位移不能自动消除，实际修复仍然需要手动重置。Zhang等人[103]提出了一种组装式自复位双级屈曲约束支撑（ASCDYB），集成了两级耗能和自复位功能。自复位系统由高强度钢杆和预压碟形弹簧组成，第二级耗能芯设计有槽孔以优化自复位性能。非线性时程分析表明，与传统的自复位BRB相比，ASCDYB在考虑的最大地震下将残余位移减少了约40%，同时峰值位移增加了不到9%。此外，耗能芯作为可更换的保险丝，地震损伤集中在这些可更换部件上。更重要的是，ASCDYB在较低的预应力要求下实现了令人满意的自复位性能，使其在工程应用中更具可行性。

总之，多级耗能阻尼器的地震后维护性能和重新定位能力是相互补充的。采用螺栓组装和可更换耗能单元的配置显著提高了可修复性，而配备碟形弹簧、SMA或其他自复位模块的设备可以有效减少残余位移。可修复性和重新定位能力的协同优化是推动多级阻尼器应用于具有韧性的实际工程的关键。

8. 结论与前景
8.1. 结论
(1) 在机制层面，多级耗能阻尼器在一个设备内集成了多个具有不同屈服阈值或能量耗散机制的单元。这使得在轻微、中等和强烈地震下能够逐步触发能量耗散。因此，有效的能量耗散频带显著拓宽，克服了传统单级阻尼器的固有局限性。
(2) 在配置层面，多级耗能阻尼器主要分为四种类型：分级屈服金属阻尼器、分级摩擦阻尼器、金属-摩擦混合阻尼器和金属-粘弹性混合阻尼器。物理实验和数值模拟都验证了它们分阶段耗能机制的有效性，并展示了强大的能量耗散能力。
(3) 在设计层面，大量的案例研究积累了大量的基础数据和实际设计经验。然而，尚未开发出一种能够同时考虑材料属性和结构配置的分阶段阈值设计公式。例如，尚未建立将粘弹性材料的阻尼比与金属组件的刚度联系起来的协同优化公式。这种缺乏定量指导限制了其在工程设计中的直接应用。
(4) 大多数多级耗能阻尼器在穿孔、弯曲、拼接和接头处存在明显的局部应力集中，尤其是在空心剪切板上。现有研究主要集中在短期循环滞回性能上，不同配置的长期低循环疲劳寿命的定量比较数据严重不足，这限制了对其长期服务性能和工程耐久性的准确评估。
(5) 从工程设计实践的角度来看，多级耗能阻尼器的顺序激活阈值必须与地震加固强度、结构高度和目标建筑的层间位移要求进行定量匹配。强烈建议采用全螺栓组装和可更换耗能单元的配置，因为它们可以在保证稳定分阶段耗能的同时，大幅提高地震后的可修复性，并降低结构的生命周期维护成本。
(6) 应为不同的结构系统采用差异化的选择原则。剪切屈服和分级摩擦多级阻尼器适用于中低层框架建筑，而双级屈服屈曲约束支撑（DYBRB）和金属-粘弹性混合阻尼器更适用于高层框架-核心管结构以及关键工程项目，以满足不同结构的刚度分布和多级地震能量耗散需求。
(7) 对制造公差和装配精度（包括槽孔间隙、钢板厚度和螺栓预压）的严格控制对于确保多级阻尼器的预设顺序激活机制至关重要。应建立材料-组件-结构的多尺度验证框架，并进行准静态循环测试和全尺寸振动台测试，以验证分阶段能量耗散性能，从而消除理论设计与实际地震行为之间的偏差。

8.2. 前景
尽管在多级耗能阻尼器的研究方面取得了显著进展，但以下方面仍需进一步研究：
(1) 需要进一步优化材料和结构配置。这包括完善局部结构细节、开发对环境影响较小的材料，以及减轻制造公差和应力集中带来的不利影响，从而提高减震器的疲劳性能和可靠性。(2)应建立“材料-构件-结构”多层次的集成分析模型。有必要开展基于可靠性的阶段阈值研究，以制定与当前工程结构抗震性能目标相一致的阶段性能量耗散指标。这将为实现设计和性能评估提供定量依据。(3)应对代表性的减震器模型进行准静态测试、混合仿真以及全尺度振动台测试。这些研究对于进一步验证减震器在复杂结构系统中的有效性至关重要，并能为该技术的广泛应用提供坚实的技术支持。