1. 引言
传统抗震结构主要靠构件塑性变形来消耗地震能量(如梁柱节点区弯曲屈服或剪切破坏)，虽然能保证结构在强震中不倒塌，但还是会产生较大的残余变形，使震后修复难度和成本都有所增加。另外国内目前存在大规模的非延性RC框架结构，其节点区抗剪能力不足、配筋构造不合理等问题，使得这些建筑更容易在强震下发生脆性破坏，实测数据显示，非延性RC框架在峰值加速度0.4 g地震后，层间残余位移角可达0.8%~1.2%，远超0.2%的修复阈值，加剧震害风险[1]。此外，我国大量非延性RC框架存在节点区箍筋间距过大、锚固不足等缺陷，强震下易引发裂缝贯通，导致结构极易崩塌。2008年汶川地震中此类结构倒塌率达18.7%，显著高于延性框架的5.3%倒塌率。基于智能材料和复合耗能机制的新型抗震加固技术日益成熟，比如形状记忆合金(SMA)装置的弹性变形能力，能显著降低结构残余变形，同时实现“耗能 + 自复位”的功能；分级屈服型金属阻尼器通过双环形金属单元串联实现分阶段耗能滞回曲线饱满且抗疲劳性能优异)2000次循环退化率≤8% [2]；CFRP加固技术则通过约束混凝土变形，将非延性框架的层间位移角限值提高到了1/50左右，增强了结构整体韧性。
2. 新型耗能装置的构造与技术特性
2.1. SMA-摩擦复合装置
2.1.1. SMA-摩擦复合装置构造原理
新型SMA摩擦复合装置由自复位系统和摩擦耗能系统两部分组成。自复位系统对称分布在摩擦耗能系统两侧。自复位系统包括方钢管、SMA杆和端板。摩擦耗能系统包括钢板、黄铜片和高强螺栓等。新型装置中，方钢管通过垫块分别焊接在钢板两侧，SMA杆置于方钢管内，其两端锚固在端板上。高强
Figure 1. Structural schematic diagram of a novel SMA-friction
图1. 新型SMA摩擦复合装置结构示意图
螺栓提供法向压力在接触面产生摩擦力，通过施加不同螺栓预紧力来控制摩擦力大小。钢板和钢板之间设有黄铜片，以增加摩擦力，结构示意图如图1所示。
2.1.2. SMA-摩擦复合装置技术特性
SMA-摩擦复合装置通过形状记忆合金(SMA)的超弹性变形与摩擦组件的协同作用来现耗能和自复位的双重功能。形状记忆合金(简称SMA)是一种被广泛研究的新型功能材料。近20年来，国内外众多学者对SMA的力学性能进行了深入的研究，并设计出了多种类型的被动阻尼装置，最后发现SMA-摩擦复合装置在建筑结构耗能减震方面具有更好的适用性。这种采用国产超弹性NiTi丝设计的新型阻尼装置，其构造简单且便于安装，核心机制主要是在小变形阶段(位移<3 mm)时由SMA丝通过奥氏体–马氏体相变耗散能量；大变形阶段(位移>5 mm)时由摩擦组件激活滑动耗能，同时SMA相变提供恢复力[3]。
基于黄山市医院SMA-摩擦复合阻尼器加固工程案例的验证数据，案例实测表明该装置可将结构残余位移降低60%，最大残余位移控制在峰值位移的5%以内。典型滞回曲线呈“旗帜形”(图2)，卸载阶段斜率陡峭为80 KN/mm，表明了SMA的高恢复力特性；在位移幅值15 mm时，单循环耗能达1200 J，螺栓预紧力10 kN下等效阻尼比为0.32。其高频荷载的适应性也显著提升，具体表现为在位移幅值12 mm时耗能衰减率仅15%，优于传统阻尼器30%；震后功能恢复周期也缩短至48小时，总体效率显著提升。这类已有工程案例验证了SMA-摩擦装置的多阶段耗能协同机制(即同时兼顾小震刚度与大震耗能需求)的合理性，以及低误差预制拼装技术实现工业化的施工可行性[4]。
然而，该装置也存在显著局限：在高频荷载下SMA相变滞后导致位移幅值12 mm时耗能效率下降30%。腐蚀环境下SMA超弹性退化(如盐雾试验中恢复应变损失 ≥ 15%)，导致其长期性能稳定性不足。最后就是成本问题，NiTi系SMA材料成本高达传统钢制阻尼器的3~5倍，这些都是在施工过程中不可忽视的问题与隐患。
2.2. 分级屈服型金属阻尼器
2.2.1. 分级屈服型金属阻尼器构造原理
针对已有的部分分阶段屈服的阻尼器，其在较小位移下屈服后可能在较大位移下提前发生破坏从而
(试验参数：采用低周往复加载制度，加载频率为0.5 Hz，位移控制，振幅为±15 mm)
Figure 2. SMA-friction composite device “flag-shaped” hysteresis curve
图2. SMA-摩擦复合装置“旗帜形”滞回曲线
不具备优良的大变形能力以及制造成本高的问题，陈云[5]研发了一种由普通Q235钢材整体切割弯折成型的分级屈服型金属阻尼器，其由同轴内外套设的两个大小不同的环形金属阻尼器构成(图3)，内、外环之间具有间隔并设有连接垫板，在受到外力作用时呈滚动弯曲变形，屈服点可以不断移动，使得其实现多截面屈服，有效避免屈服点的集中出现，显著提高其变形性能和抗疲劳性能。
Figure 3. Structural schematic diagram of graded yield metal
图3. 分级屈服型金属阻尼器结构示意图
2.2.2. 分级屈服型金属阻尼器技术特性
分级屈服型金属阻尼器通过双环形金属单元串联实现分阶段耗能机制：通过调整内、外环的尺寸参数使其具有不同的屈服位移，从而实现小震作用下内环屈服(外环保持弹性状态)，中震或大震作用下外环屈服(和内环一起耗能)，从而实现分级屈服耗能的设计目标；选择地，也可小震时内外环都处于弹性状态，中震作用下内环屈服(外环保持弹性状态)，大震作用下外环屈服(和内环一起耗能)。
基于上海中心大厦分级屈服型金属阻尼器加固工程案例的验证数据：该装置通过双环形U形钢板串联实现分阶段耗能机制，小震阶段(位移<3 mm)时由内环U形耗能钢板率先开始屈服耗能，以提供初始刚度(典型值120~150 kN/mm)；大震阶段(位移>5 mm)时外环金属单元联合内环共同屈服，滞回环面积扩大至小震阶段的3.2倍，耗能占比跃升至75%。其典型滞回曲线呈饱满纺锤形(图4)。工程实测表明，加固后结构层间位移角降低57.8% (X向)至61.7% (Y向)，残余位移控制在峰值位移4%以内。
该装置在罕遇地震下(PGA = 0.4 g)单循环耗能达1521J，等效阻尼比稳定在0.35以上，且抗疲劳性能优异(2000次循环后性能退化率≤8%) 3340。通过BIM预制拼装技术(误差≤1.8 mm)实现工业化施工，震后阻尼器更换时间缩短至2小时，综合造价降低30% [6]。
(模拟参数：基于ABAQUS/Standard模块进行准静态循环位移加载分析，模型单元类型为C3D8R)
Figure 4. Hysteresis curve of graded yield metal damper
图4. 分级屈服型金属阻尼器滞回曲线
分级屈服型金属阻尼器在实际工程应用中主要面临以下局限：其在低频率大位移荷载下的耗能效率要远低于速度相关型的阻尼器；发生大变形后的金属部位累积的塑性应变不可逆，需要更换耗能内芯，这显然会增加维护成本；薄壁U形钢板在高周次循环下容易出现面外屈曲的情况，导致滞回曲线收缩以及承载力下降；内外环屈服位移若没有精确匹配，其所产生的误差会导致分阶段耗能机制失效。
2.3. CFRP加固非延性框架
2.3.1. 碳纤维增强复合材料构造原理
碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymers，简称CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀等特点，采用CFRP加固既有混凝土结构能够克服传统粘钢加固方法中存在的用钢量大、抗腐蚀性差及环境要求高等缺陷，同时能够克服增大截面加固法中存在施工周期长、结构自重大等问题[7]。CFRP加固技术是通过碳纤维布包裹非延性RC框架结构，显著提升了其抗震性能。
Figure 5. Construction diagram of carbon fiber reinforced polymer
图5. 碳纤维增强复合材料构造图
2.3.2. 碳纤维增强复合材料技术特性
基于多尺度建模的研究证实，CFRP布约束混凝土变形可将层间位移角限值提升，极限承载力提高，加固后框架的滞回曲线饱满度显著改善。基于福州市某5层工业厂房的工程加固案例，采用C200型CFRP布对非延性RC框架进行加固后，结构抗震性能显著提升，等效黏滞阻尼比提升，骨架曲线对比显示(图6)：未加固框架在峰值荷载后呈陡降趋势(脆性破坏特征)，而CFRP加固框架出现明显平台段，延性系数从2.1提升至4.39。ANSYS有限元分析表明：静力作用下框架梁挠度降低18.4%~22.0%，地震作用下结构顶点位移减小22.6%~25.5%，验证了CFRP布增强结构抗侧刚度及抗弯承载力的效果[8]。长期监测数据进一步证实加固后框架较未加固框架提升109%，极限承载力提高了22.5%，层间位移角限值提升至1/50，这些数据表明加固后的框架耗能能力大幅增强，加固效果显著。
(有限元分析参数：采用ANSYS软件建立三维实体模型，进行单调推覆(Pushover)分析，以顶点位移控制加载)
Figure 6. Comparison of skeleton curves between CFRP-strengthened and unstrengthened
图6. CFRP加固/未加固框架骨架曲线对比图
然而，界面粘结滞后效应导致关键隐患：反复荷载下CFRP布与混凝土界面易发生剥离，当剥离应变<0.003时，加固构件耗能能力衰减50%。试验观测表明，节点区应力集中加速界面滑移，主裂缝宽度达0.5 mm时剥离风险骤增。
3. 耗能装置协同优化技术路径
3.1. 优化目标与技术路线
针对工程案例暴露的共性瓶颈，如分级屈服型金属阻尼器面外屈曲导致承载力衰减、分阶段激活时序误差引发过渡段耗能效率下降，以及CFRP界面粘结强度长期性能退化等问题，本章提出通过防屈曲构造创新、智能算法调控与工业化集成实现多目标优化的技术解决途径[9]。
3.2. SMA-摩擦复合装置优化
SMA-摩擦复合装置的优化主要聚焦于材料与结构的协同设计：采用50 μm厚TiN涂层使SMA盐雾腐蚀速率降低40%，10年服役期应变损失≤8%；并联Ø12 mm大直径SMA杆缩短相变响应时间至0.5 s (速度提升50%)；Fe-Mn-Si合金替代NiTi系可将成本降低60% (80/kg→80/kg→32/kg)并保持可恢复应变 ≥ 6.5% [10]。智能算法调控方面，基于LSTM神经网络动态调节摩擦阈值(误差 ± 5%)，将粘弹性与SMA激活位移差压缩至0.7 mm，同时结合磁流变体(MRF)自适应系统使高频荷载耗能衰减率稳定在15%。验证方法包括ABAQUS精细化实体单元模拟(残余位移角≤0.05%层高)及Fe-Mn-Si合金全生命周期成本对比分析[11]。
3.3. 分级屈服型金属阻尼器优化
分级屈服型金属阻尼器的优化聚焦于防屈曲构造与分阶段耗能协同设计：采用加劲肋与双矩管约束抑制面外屈曲，使薄壁U形钢板在高周次循环下面外变形降低80%，承载力衰减率控制在8%以内[12]；通过模块化可更换内芯单元设计，解决大变形后金属单元塑性应变累积问题，降低维护成本35%以上；针对低频荷载适应性不足的局限，并联粘滞阻尼单元补偿能量耗散，使等效阻尼比提升至0.4。智能调控方面，基于LSTM神经网络动态优化内外环屈服位移阈值(误差 ± 0.3 mm)，将分阶段激活时序误差压缩至0.5 mm，过渡段耗能效率提升42%。验证方法包括ABAQUS精细化实体单元模拟(2000次循环后性能退化率≤8%)及全生命周期成本对比分析(Q235钢成本降低30%) [13]。
3.4. CFRP加固结构优化
CFRP加固结构的长期性能优化以界面强化为核心：反复荷载下CFRP布与混凝土界面易发生剥离，为抑制剥离，需采用锚固端加强(如CFRP U形箍)或混凝土表面喷砂糙化处理，使界面粘结强度提升40%以上[14]。喷砂糙化工艺使混凝土表面粗糙度Ra ≥ 50 μm，28天粘结强度提升45%；掺12%二氧化硅的纳米改性砂浆经200次冻融循环后性能衰减<8%。锚固系统采用CFRP U形箍锚固(间距200 mm)提升界面抗剪强度40%，抑制主裂缝宽度≤0.3 mm。
4. 结论与展望
4.1. 研究结论
本文系统研究了SMA-摩擦复合装置、分级屈服型金属阻尼器及CFRP加固技术三类新型耗能装置的技术特性与工程适用性。SMA-摩擦复合装置通过超弹性相变与摩擦耗能协同实现“耗能–自复位”功能，残余位移降低60%以上，但存在高频荷载下耗能衰减(位移12 mm时衰减率30%)及NiTi系SMA成本高(为钢制阻尼器的3~5倍)的局限[15]；分级屈服型金属阻尼器通过双环形金属单元串联实现分阶段耗能(内环3 mm屈服、外环5 mm联合耗能)，滞回曲线饱满(等效阻尼比≥0.35)，抗疲劳性能优异(2000次循环退化率≤8%)，且无粘弹性材料老化问题，但需控制面外屈曲风险及分阶段激活时序精度(误差需 ≤ ± 0.5 mm) [16]；CFRP加固技术显著提升非延性框架延性与耗能能力(等效阻尼比提高97%)，但界面剥离风险制约长期性能。
4.2. 技术优势与工程适用性
三类装置均通过多阶段耗能机制提升结构抗震韧性，但各有侧重：SMA-摩擦装置适用于对残余位移控制要求严格的场景(如医院、数据中心)，但需规避高频荷载及腐蚀环境；分级屈服型金属阻尼器经济性优(Q235钢成本降30%)、抗疲劳性能突出，更适合高层建筑(如上海中心大厦)及工业化施工需求[17]；CFRP加固对非延性RC框架改造效果显著，但需强化界面锚固(如U形箍提升抗剪强度40%)以保障长期性能[18]。
4.3. 优化路径与未来方向
针对上述局限，提出协同优化路径：材料改性方面，Fe-Mn-Si合金替代NiTi系SMA降本60%，纳米SiO₂填料抑制粘弹性温敏性；智能算法调控方面，LSTM神经网络压缩分阶段激活时序误差至0.5 mm，提升过渡段耗能效率42% [19]；工业化集成方面，BIM预制拼装技术(误差≤1.8 mm)使施工效率提升40%，震后阻尼器更换时间≤2小时。未来需进一步探索多灾害耦合性能预测模型，开发适用于Fe-Mn-Si基SMA材料在氯盐环境下的长期性能退化模型与寿命预测方法，制定基于机器学习(如LSTM网络)的分级屈服阻尼器分阶段激活实时控制策略，并通过振动台试验验证其在不同地震动输入下的控制精度与鲁棒性，以及研发基于纳米改性环氧树脂的CFRP-混凝土界面智能感知与自修复技术，以抑制反复荷载下的界面剥离并实时监测粘结健康状态，逐步完善协同设计规范体系[20]。