基于惯性放大机制阻尼器(IAM-D)的隔震结构振动控制优化研究

本文针对传统基础隔震结构阻尼性能不足的问题，提出了一种结合惯性放大机制的新型阻尼器(IAM-D)。研究团队通过理论推导和数值模拟，系统分析了IAM-D对多自由度隔震结构的振动控制效果，推导出最优参数fdopt和ξdopt的闭式解，并通过地震响应分析验证其较传统黏滞阻尼器(VD)具有更优的减震性能和能量耗散效率。该研究为提升建筑结构抗震性能提供了创新解决方案。

　　

在建筑抗震工程领域，传统基础隔震技术虽能有效降低地震能量向上部结构的传递，但其阻尼性能往往难以满足强震下的减震需求。这一技术瓶颈导致隔震层位移过大、残余变形显著等问题，严重制约了隔震结构在高烈度地震区的推广应用。如何在不显著增加结构刚度的前提下提升隔震系统的耗能能力，成为当前抗震工程领域亟待解决的关键科学问题。

针对这一挑战，北京交通大学的研究团队创新性地将惯性放大机制(Inertial Amplification Mechanism, IAM)与传统阻尼技术相结合，提出了一种新型惯性放大机制阻尼器(IAM-D)。该研究通过理论建模、参数优化和地震响应分析的系统研究，揭示了IAM-D对多自由度隔震结构的振动控制机理。研究采用随机响应分析推导出等效阻尼比解析表达式，建立优化目标函数获得最优频率比f_d^opt和阻尼比ξ_d^opt的闭式解，并基于实际地震记录对比分析了IAM-D与传统黏滞阻尼器(VD)的性能差异。

关键技术方法
研究采用多尺度分析方法，结合拉格朗日方程建立IAM-D-隔震耦合系统的动力学模型；运用随机振动理论推导增强阻尼比的解析表达式；采用频响函数分析优化参数下的减震效果；选取El-Centro等典型地震波进行时程分析，通过能量平衡方程量化不同阻尼器的耗能效率。

Base isolation structure equipped with the proposed IAM-D
通过将IAM-D集成于基础隔震层，构建了"隔震-惯性放大"协同工作体系。惯性放大机构通过杠杆原理放大阻尼器的表观质量，显著提升单位质量材料的能量耗散效率。

Damping enhancement effect
随机响应分析表明，IAM-D产生的增强阻尼比与惯性放大系数β呈正相关。当β=3时，等效阻尼比可达传统系统的2.8倍，验证了惯性放大机制对阻尼性能的倍增效应。

Optimization of the proposed IAM-D
参数优化研究揭示最优频率比f_d^opt主要取决于质量比μ和惯性放大系数β，而最优阻尼比ξ_d^opt对β变化更为敏感。频响分析显示优化后的IAM-D可使结构加速度响应降低40%-60%。

Seismic response analysis
基于MDOF模型的时程分析表明，在Kobe地震波作用下，IAM-D较VD可额外减少隔震层位移25%，上部结构加速度响应降低18%。能量分析证实IAM-D能更高效地耗散地震输入能量，其耗能占比达总输入能量的72%。

Conclusions
该研究证实IAM-D通过惯性放大机制实现了"小质量大惯性"的效果，其创新性体现在三个方面：一是建立了考虑惯性放大效应的阻尼增强理论模型；二是提出了参数优化设计方法；三是验证了其在真实地震动下的优越性能。相比传统方案，IAM-D在相同质量下可提供更高的附加阻尼，为解决隔震结构"大位移"难题提供了新思路。研究获得的中国国家自然科学基金(52178269)等项目的支持，也体现了该成果在国家防灾减灾工程中的重要价值。未来研究可进一步探索IAM-D在超高层建筑和重大基础设施中的适用性。