磁流變彈性體隔震結(jié)構(gòu)裝置

鐘芬芳

[摘要]本文簡要回顧了常規(guī)隔震系統(tǒng)存在的不足，重點概述了智能隔震裝置多年來的研究成果。最后從我國實際出發(fā)，對今后智能隔震裝置的研究、應(yīng)用等方面提出了若干建議。

[關(guān)鍵詞]傳統(tǒng)隔震支座；智能隔震；磁流變彈性體

由于地震的不可預(yù)見性，人們習慣性采用減震或隔震或減隔震來應(yīng)對，目前，專家學者們正在前仆后繼的朝著隔震方向努力前進。從周福霖院士在我國汕頭市建立起來的第一棟橡膠支座隔震房屋到周云教授建立的被稱為“樓堅強”的蘆山醫(yī)院，隔震技術(shù)都在地震作用下經(jīng)受住了考驗。只是，我國傳統(tǒng)的隔震支座存在著兩個主要問題。

（1）傳統(tǒng)的隔震支座雖然在地震作用下能有效減小主體結(jié)構(gòu)的位移，通過阻尼吸收部分地震能量，減少傳人上部結(jié)構(gòu)的能量，但是與此同時卻增大了隔震層的位移。特別是在近震條件下。

（2）傳統(tǒng)的隔震支座在豎向隔震方面收效甚少。因此，許多國內(nèi)外學者對于傳統(tǒng)隔震系統(tǒng)所存在的不足進行了大量研究，取得了可喜結(jié)果。本文系統(tǒng)介紹了已研發(fā)的智能隔震裝置，并對其研究課題提出了展望。

1.智能隔震裝置

疊層型智能隔震裝置能夠避免隔震建筑在近震作用下其結(jié)構(gòu)發(fā)生毀滅性的破壞，同時能夠避免單純的在橡膠支座上并聯(lián)一個可調(diào)控磁流變液阻尼器所帶來的沉降凝結(jié)，以及地震作用在其沉降凝結(jié)狀態(tài)恢復(fù)到流動狀態(tài)過程中對結(jié)構(gòu)造成的嚴重損壞。

涂建維等設(shè)計出了一種磁流變彈性體隔震支座并對其進行了有限元分析。吳平在涂建維的基礎(chǔ)上提出了依靠勵磁電流控制的復(fù)合型智能隔震支座。單線圈輸入型隔震支座，雙線圈輸入型隔震支座以及疊層鋼板繞線圈型隔震支座，通過有限元分析得出疊成鋼板繞線圈型實現(xiàn)彈性體薄片由鄰近線圈供給磁場，同時也可以讓磁路更通暢，唯一的不足就是鋼板尺寸必須在普通橡膠支座的基礎(chǔ)上加厚，而且每片鋼板上面線圈匝數(shù)很少。

劉雪琴等設(shè)計的以硅橡膠磁流變彈性體為隔振材料，在擠壓和剪切兩種模式環(huán)境下的新型磁流變彈性體隔振器。Liao，G.J等把四個MRE當作可調(diào)彈簧設(shè)計了一款基于磁流變彈性體的隔振器，其剛度可以通過改變磁場來控制，并且，在組合開關(guān)的控制下，該隔振器具有良好的隔震效果。Li，Yancheng等針對基礎(chǔ)隔震設(shè)計提出了一種新型隔震器，即自適應(yīng)隔震器。該裝置是利用磁流變彈性體這種磁場敏感材料的性能設(shè)計出來的，試驗測試表明該自適應(yīng)隔震器可以成功地改變橫向剛度和阻尼力。為MRE彈性體在土木工程結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域的發(fā)展開辟了道路。雖然，磁流變彈性體的研究由來已久，但是，應(yīng)用到工程抗/隔震方面極少，在工程應(yīng)用方面仍然需要大量的試驗研究。

2.本文設(shè)計的支座

本文所研究的支座是在橡膠支座的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的。將磁流變彈性體代替橡膠支座中的橡膠，考慮到磁流變彈性體的可控性，希望通過可調(diào)控的儲能模量和阻尼比，使隔震支座能更好的適應(yīng)外荷載的變化，大大減小結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。因此需要設(shè)計一個合理的磁路使磁流變彈性體隔震支座在磁場的作用下能充分發(fā)揮其磁流變效應(yīng)，起到減小結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的作用。有關(guān)文獻將支座和鐵芯弄成一個閉合回路，采用軟磁性材料彌補了上下錯動可能導(dǎo)致的磁路的短路，只是該情況下產(chǎn)生較大位移時，軟磁性材料區(qū)域?qū)蔀楸∪醐h(huán)節(jié)，影響支座性能的發(fā)揮。本文大膽將兩個橡膠支座采用并聯(lián)的方式組合起來，由上下兩塊導(dǎo)磁鋼板連接，形成一個閉合回路。磁流變彈性體隔震支座的初步形狀如圖1所示，為了減少磁阻，選用相對磁導(dǎo)率較高的鐵磁材料——低碳鋼，其B-H曲線如圖2所示。

對隔震支座進行磁路簡化根據(jù)安培環(huán)路定律對整個回路建立方程，安培環(huán)路電律如下。