TONGJI UNIVERSITY · DISASTER MITIGATION FOR STRUCTURES

张瑞甫

研究员｜博士生导师

让惯性从“物体有多重”转变为“系统如何设计”——以更轻、更高效、更可验证的方式解决结构与装备振动问题。

张瑞甫课题组代表性原创成果：惯容阻尼增效方程与原理 · 惯容真实惯性力 · 轻量化调谐方法。

研究与合作定位

团队围绕结构振动控制与能源基础设施抗震韧性，形成“真实惯性力—阻尼增效—m–c–k–b四元协同—动态负刚度协同—轻量化工程控制”的原创技术主线。研究不仅服务减振控制，也延展至振动能量采集、动力学超材料与波传播调控、车辆悬架、机器人、精密装备及机电耦合系统。

无控结构、TMD与TMIS响应对比

在相同试验场景下直观比较控制效果，展示TMIS降低附加调谐质量需求、实现轻量化减振的潜力。

多型高倍率惯容器样机

面向不同安装空间、承载能力和控制参数需求，形成系列化惯容装置研发与试验能力。

学生培养与发展

学生可以从理论、算法、装置或试验切入，接受“物理机理—动力建模—数值算法—试验验证—工程问题”贯通训练，包括Python程序开发、有限元计算、装置研制、振动台试验、数据处理、优化算法与工程性能评估。

截至2026年3月，近5年培养博士毕业生3名、硕士毕业生10名；现指导在读博士4名、硕士10名。学生累计获得国家奖学金6人次、上海市优秀毕业生2人次、同济大学优秀博士学位论文2篇。毕业发展包括华为、微软等科技与人工智能企业，科研院所与能源单位，选调生岗位，高校、金融投资机构，以及赴美国、日本高校继续深造。

原创技术的价值

可解决的工程问题

可提供现场测试、预测评估、方案设计、材料与装置联合研发、试验验证及长期技术支持。

惯容器工程安装与应用

完成惯容装置在实际结构中的集成部署，推动技术由理论、样机和试验走向工程应用。

工业泵站惯容减振应用

面向旋转设备与管路系统振动问题，开展装置集成、现场测试和减振效果验证。

代表性科研与工程项目

• 大型能源储液罐自适应惯容隔震：开展流固耦合建模、参数优化、装置设计与试验验证。

• 海上风电塔自适应液体惯容减振：面向强风与地震作用开展调谐液体惯容技术、动力分析与性能评估。

• 高性能惯容系统与结构振动控制：贯通阻尼增效理论、高性能装置、控制算法和试验验证。

• 城市环境与地铁振动控制：服务邻近建筑、精密设备与人员舒适度控制。

• 高阻尼减振新材料与振动控制超材料：开展材料设计、动力性能表征、构件集成和工程验证。

• 超大型LNG薄膜罐振动台试验：面向大型能源储液设施开展抗震隔震试验、安全评估与技术验证。

代表性原创成果

• 惯容真实惯性力：从伽利略变换的角度阐释其物理意义，明确其与经典动力学中达朗贝尔惯性力（亦称虚拟惯性力／惯性力）的区别。

• 惯容系统阻尼增效方程与通用设计原理：团队针对调谐惯容阻尼器（TID）和调谐黏滞质量阻尼器（TVMD）两类典型惯容系统，基于闭式随机响应分析，发现并从数学上证明了惯容系统阻尼增效方程：

  γ²（1＋α²ξ/ζ）＝1

  α：阻尼变形增效因子；γ：响应减振比；ξ：惯容系统名义阻尼比；ζ：主体结构固有阻尼比

  该方程建立了阻尼变形增效因子与结构响应减振比之间的定量关系，从理论上证明了惯容元件、弹簧元件与耗能元件的耦合能够放大耗能元件变形，使相同阻尼参数的耗能元件吸收更多振动能量，并据此提出面向目标阻尼增效的通用设计原理。论文算例中，在阻尼系数相同的条件下，附加耗能装置的能量耗散占比由约25%提高至约75%。代表性论文发表于Structural Control and Health Monitoring，DOI：10.1002/stc.2523。

  同行引用：一篇2021年同行论文在引言中将上述贡献概括为：张瑞甫等从理论上发现了调谐黏滞质量阻尼器（惯容系统）的阻尼增效效应，并为其提出了通用设计原则（Earthquake Engineering and Engineering Vibration，DOI：10.1007/s11803-021-2066-z）。

• 电涡流阻尼与运动转换增效技术：对于电涡流等速度相关的非接触式阻尼单元，相对运动速度较低时，阻尼力和耗能能力可能受到限制。滚珠丝杠、齿轮等运动转换与放大机构可提高导体与磁体之间的相对运动速度，从而增强电涡流阻尼和耗能能力；与此同时，高速旋转部件还可能产生惯性效应，需要在装置设计中统筹考虑。团队相关成果包括发明专利“一种加速度型电涡流惰性消能器”（申请号：201611173734.5）。

• 风电塔调谐质量惯容系统（TMIS）轻量化抗震：原文称 TPIMS，现统一称 TMIS。面向既有风电塔抗震加固，提出调谐并联惯容质量系统及其性能需求导向设计方法。在相同目标减振效果下，数值算例中的调谐质量需求较传统TMD降低48%以上。Engineering Structures，DOI：10.1016/j.engstruct.2018.11.020。

• 非接地调谐质量惯容系统（TMIS）轻量化风振控制：提出非接地TMIS及其轻量化设计方法，并以风电塔验证其风振控制效果。论文算例中，在相同风振控制效果下，调谐质量需求较传统TMD降低可达40%。Wind and Structures，DOI：10.12989/was.2021.32.6.573。

• 摆式调谐质量惯容系统（PTMIS）轻量化减振与实验验证：提出采用高惯质比滚珠丝杠惯容器的PTMIS，并开展惯容器性能试验、结构减振试验及风电塔算例验证。实验中，在相近减振目标下调谐质量较传统摆式TMD降低39%。Engineering Structures，DOI：10.1016/j.engstruct.2025.120555。

• 高倍率惯容器：一种空间凸轮式惯容器，ZL202110259773.1。

已形成高倍率机械、流体、电磁和气体惯容装置，调谐液体惯容与自适应减振系统，惯容型隔震支座、减震层与剪力墙体系，以及多维振动控制和能量采集等知识产权方向。

学术与工程认可

• 连续入选全球前2%顶尖科学家榜单（土木与机械相关领域）

• 入选ScholarGPS全球前0.5%顶尖学者榜单（优化设计算法领域）

• 成果“高倍惯容器及其振动控制技术”入选同济大学2023年度“十大最具转化潜力科技成果”。

• 获Wiley结构控制与健康监测领域Top Cited Author认可

• “建筑结构智能监测与性能提升关键技术”获四川省科学技术进步二等奖

• “新型高效抗风抗震阻尼器研发及其工程应用”获上海市技术发明二等奖

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