非线性负刚度装置(NNSD)对基底隔震结构(BIS)振动控制的增强机制与实时混合模拟验证

本研究针对基底隔震结构(BIS)在地震中位移超限与加速度响应增大的矛盾问题，通过开发非线性负刚度装置(NNSD)的力学模型与实时混合模拟(RTHS)测试，揭示了压缩比对负刚度效应的影响机制。研究发现第五阶泰勒展开模型能精准描述NNSD非线性行为，固定压缩比NNSD可使隔震层接近准零刚度状态，协同优化压缩比与刚度可提升控制效果5-16倍，为工程应用提供了设计依据。

　　

地震频发的现实背景下，基底隔震结构(BIS)虽能减轻建筑损伤，却面临隔震层位移超限与上部结构加速度放大的双重困境。2013年芦山地震、2016年熊本地震等事件中，隔震层位移突破90厘米导致支座剪切破坏，而传统阻尼器又加剧了加速度响应。这种"顾此失彼"的难题催生了负刚度技术的探索——通过非线性负刚度装置(NNSD)主动降低系统刚度，理论上可同时控制位移与加速度。然而现有研究多局限于理论模型，固定压缩比NNSD对高阶振型的控制短板、泰勒展开模型的精度不足等问题制约着工程应用。

中国某高校研究团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表的研究中，通过机械设计、五阶泰勒建模和实时混合模拟(RTHS)三重验证，系统解决了这些瓶颈问题。研究首先构建NNSD原型机，将螺旋弹簧轴向力通过几何转换形成非线性负刚度；采用双500kN作动器开展本构试验，获取力-位移滞回曲线；进而建立涵盖不同压缩比的广义力学模型，通过RTHS平台将数值模型与物理试件耦合测试。

设计制造非线性负刚度装置
通过几何分析将预压弹簧的轴向力转换为非线性负刚度力，装置核心包含可调压缩比的螺旋弹簧系统。实验发现初始设置存在作动器偏转问题，通过导轨滑块系统修正后获得稳定加载路径。

实验研究
本构试验揭示压缩比与非线性刚度范围的定量关系：当压缩比从0.3增至0.7时，负刚度区间扩大2.1倍。对比三阶与五阶泰勒模型，后者误差率仅1.8%，能准确捕捉准零刚度到正刚度的转变特征，而三阶模型在位移超过设计值50%时误差骤增至12%。

实时混合模拟验证振动控制
RTHS测试表明，压缩比0.5的NNSD使隔震层位移降低63%，上部结构加速度峰值减少41%。当系统接近准零刚度状态时，继续降低压缩比反而使控制效率下降14%。与半主动控制相比，固定压缩比NNSD在强震下展现出更稳定的耗能能力。

扩展设计与局限性
研究提出按抗震设防标准动态选择压缩比的策略：8度设防区建议采用0.4-0.6压缩比，配合附加阻尼器可提升耗能能力5倍。但固定压缩比NNSD对长周期结构控制效果有限，需结合惯性放大器或杠杆机构增强负刚度值。

这项研究的意义在于建立了NNSD压缩比-刚度-位移的协同优化理论框架，第五阶泰勒模型为非线性刚度描述提供了新范式。实验验证的"阈值效应"（准零刚度状态下压缩比调整失效）为工程参数选择划定边界，而基于隔震层实时响应的准半主动控制策略，为发展智能负刚度系统指明了方向。该成果不仅解决了BIS"减位移不增加速度"的经典难题，其RTHS验证方法更为复杂非线性装置的性能评估提供了新范式。