附加電磁阻尼器的懸掛結構減震模型自制及實驗研究

張晶鈺 董祥晨 裴星洙

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000)

?

附加電磁阻尼器的懸掛結構減震模型自制及實驗研究

張晶鈺 董祥晨 裴星洙

(江蘇科技大學，江蘇 鎮江 212000)

基于電磁阻尼器的應用需求，提出了懸掛結構的模型與減震原理，并通過HY-4調速多用振蕩器，對安裝阻尼器后的懸掛子結構進行實驗對照分析，驗證了電磁阻尼器的減震作用。

電磁阻尼器，懸掛結構，抗震性能，振蕩器

地震是地殼快速釋放能量過程中造成振動，期間會產生地震波的一種自然現象。地震常常會造成經濟損失和人員傷亡，給人們的生活蒙上一層陰影。當前的科技水平無法及時預測地震，因此抗震減災勢在必行，阻尼器應運而生。電磁阻尼器是根據金屬板在磁場中運動產生渦流和阻尼力，同時將機械能轉化為電阻熱從而耗散能量的工作原理制作的一種新型阻尼器。目前應用較多的阻尼器各自有缺陷，與之相比，電磁阻尼器具有一定的優勢。

1 懸掛結構

懸掛結構是將樓面系統的荷載通過吊桿傳遞到懸掛在柱子的橫梁上，再由橫梁傳遞到柱子直至基礎的結構(如圖1所示)。懸掛結構由框架主結構與多個懸掛子結構組成，框架主結構中的柱子和橫梁剛度極大，滿足子結構的懸掛要求。

為達到抗震要求，在子結構兩側安裝電磁阻尼器提高結構的抗震性能。

2 電磁阻尼器簡介

2.1 電磁阻尼器的工作原理

電磁阻尼器運用的基本原理為電磁感應定律：閉合導體在磁場中做切割磁感線運動時，磁通量發生改變，導體中產生感應電流即渦流。結合楞次定律可以得出：感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量變化，即會阻礙兩者的相對運動。

2.2 模型實驗

1)主要儀器設備及材料。50 mm×50 mm×25 mm永磁鐵兩塊、10 cm×20 cm薄銅片四個、10 cm×20 cm×2 cm泡沫板兩塊、T型木質支架一個、HY-4調速多用振蕩器(轉速增加跨度為10 r/min)。

2)對照實驗。將兩個磁性很大的永磁鐵分別固定在基礎兩邊，分開一定的距離防止兩個磁鐵吸在一起。將一個銅片在兩個永磁鐵形成的磁場中做切割磁感線運動，可明顯感覺有阻力存在，這就是阻尼力(如圖2所示)。證明阻尼力存在后，在原有試驗基礎上增添一組空白對照試驗。首先在模型中心豎立一個T型木質支架，支架的一側懸掛一個建筑物模型(以下簡稱建筑物)，所用材料為銅片和泡沫板。將兩個永磁鐵固定在基礎板上，分別位于建筑物兩側，使建筑物可在永磁鐵形成的磁場中擺動。在支架的另一側懸掛相同規格的建筑物，但不同點在于不設置永磁鐵，以此作為對照(如圖3所示)。

3)實驗現象分析及結論。將模型放置在HY-4調速多用振蕩器上，啟動振蕩器。如圖4所示，當轉速較低時，兩個建筑物擺動幅度沒有較為明顯的差異。提高轉速至80 r/min，兩個建筑物的擺動幅度出現明顯差異。當轉速達到120 r/min時，可以觀察到以下實驗現象：安裝阻尼器的一側建筑物擺動幅度明顯小于沒有安裝阻尼器的一側。這是因為銅片在磁場中做切割磁感線運動時產生渦流，受到與擺動方向相反的安培力作用，銅片的擺動幅度減小。繼續將轉速增加至140 r/min，此時由于振速過高，可近似認為建筑物同時受到一對大小相等、方向相反的作用力，因此兩個建筑物均沒有大幅度的擺動。最后將轉速降至120 r/min，使兩個建筑物再次擁有明顯的擺動幅度，此時關閉振蕩器，可以觀察到帶有阻尼器的建筑物很快停止晃動，不帶有阻尼器的建筑物仍在晃動，并且持續了很長一段時間才慢慢停止下來。為避免實驗誤差，將兩個建筑物調換位置并重復以上實驗，實驗結果不變，因此我們認為建筑物本身對實驗結果無影響。

實驗結論：在一定振動范圍內，電磁阻尼器可以有效控制建筑物晃動，提高建筑物的抗震性能，降低建筑物在地震中倒塌的可能性，對抗震減災起到一定的積極作用。

3 電磁阻尼器在抗震方面的應用前景

3.1 各類阻尼器的對比分析

我國將阻尼器分為位移相關型和速度相關型兩種。金屬阻尼器屬于位移相關型阻尼器，它可以減小地震響應，但是抗疲勞性能差，經歷過幾次小型地震或者一次大型地震就需要及時更換；粘彈性阻尼器屬于速度相關型阻尼器，可以有效減小結構的位移反應和加速度反應，布置位置靈活，消能減震能力較強，但是允許相對位移不大，從而限制了減震效果。此外粘彈性阻尼器受溫度、頻率等多種因素影響較大。與上述阻尼器相比，電磁阻尼器具有方便維護、噪聲小、無污染、可靠性高等優點。當地震來臨時，電磁阻尼器吸收地震波帶來的機械能并轉化為導體中的電能，導體再將電能轉化為熱能釋放，可以有效減少地震給建筑物帶來的危害[1]。

3.2 電磁阻尼器的應用前景

在國外，電磁阻尼器已經運用到工程建設領域中，并取得了不錯的效果。日本處于環太平洋火山地震帶，是地震高發區，因此日本的抗震技術首屈一指。日本Triton塔的設計就是電磁阻尼器在日本高層建筑之間應用的具體實例。此塔采用了連接制振法，通過作動器把并立的數個高層大樓連接起來，利用各個大樓之間的相互反作用力來進行振動控制，對于長周期地震也可以獲得大的控制力[2]。主動型連接制振法如圖5所示。

中國人口數量眾多，隨著社會經濟的發展，城市建筑用地變得越來越少，建筑師們追求建筑物的高度來滿足人類居住的需求，但如何保證高層建筑安全穩定就成為了一個急需解決的問題。在建筑物越來越高的同時，建筑物之間的間距也越來越小，這就形成了相鄰結構。在相鄰結構之間安裝電磁阻尼器，避免相互碰撞的同時，阻尼器也可以吸收地震波動輸入于結構的能量，從而提高結構的抗震性能。

4 結語

通過理論分析和實驗研究可以得出電磁阻尼器在抗震方面效果顯著的結論。通過實驗驗證了電磁阻尼器的可行性。該阻尼器制作簡單、安全環保，在我國具有良好的應用前景。

注:特別感謝江蘇科技大學學生丁怡丹、李文君、劉陳蕊在本實驗研究中做出的特殊貢獻。

[1] 寇寶泉，金銀錫，張 赫，等.電磁阻尼器的發展現狀與應用前景[J].中國電機工程學報，35(12)：1-2.

[2] [日]背戶一登.動力吸振器及其應用[M].任明章,譯.北京：機械工業出版社，2013：219-220.

Experimental study on the damping model of suspension structure with electromagnetic damper

Zhang Jingyu Dong Xiangchen Pei Xingzhu

(JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212000,China)

In the application of electromagnetic damper under the proposed suspension model and damping principle structure, through the HY-4 multi speed oscillator of suspension damper sub structure after the experiment analysis, verify the damping effect of electromagnetic damper.

electromagnetic damper， suspension structure, anti-seismic, oscillator

1009-6825(2017)09-0050-02

2017-01-14

張晶鈺(1995- ),女,在讀本科生； 董祥晨(1995- ),男,在讀本科生； 裴星洙(1954- ),男,教授

TU352

A