張晶鈺 董祥晨 裴星洙

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

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附加電磁阻尼器的懸掛結(jié)構(gòu)減震模型自制及實(shí)驗(yàn)研究

張晶鈺 董祥晨 裴星洙

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

基于電磁阻尼器的應(yīng)用需求，提出了懸掛結(jié)構(gòu)的模型與減震原理，并通過HY-4調(diào)速多用振蕩器，對安裝阻尼器后的懸掛子結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對照分析，驗(yàn)證了電磁阻尼器的減震作用。

電磁阻尼器，懸掛結(jié)構(gòu)，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(dòng)，期間會(huì)產(chǎn)生地震波的一種自然現(xiàn)象。地震常常會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，給人們的生活蒙上一層陰影。當(dāng)前的科技水平無法及時(shí)預(yù)測地震，因此抗震減災(zāi)勢在必行，阻尼器應(yīng)運(yùn)而生。電磁阻尼器是根據(jù)金屬板在磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生渦流和阻尼力，同時(shí)將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(yīng)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(yōu)勢。

1 懸掛結(jié)構(gòu)

懸掛結(jié)構(gòu)是將樓面系統(tǒng)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(chǔ)的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。懸掛結(jié)構(gòu)由框架主結(jié)構(gòu)與多個(gè)懸掛子結(jié)構(gòu)組成，框架主結(jié)構(gòu)中的柱子和橫梁剛度極大，滿足子結(jié)構(gòu)的懸掛要求。

為達(dá)到抗震要求，在子結(jié)構(gòu)兩側(cè)安裝電磁阻尼器提高結(jié)構(gòu)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(yùn)用的基本原理為電磁感應(yīng)定律：閉合導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁通量發(fā)生改變，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流即渦流。結(jié)合楞次定律可以得出：感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化，即會(huì)阻礙兩者的相對運(yùn)動(dòng)。

2.2 模型實(shí)驗(yàn)

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

2)對照實(shí)驗(yàn)。將兩個(gè)磁性很大的永磁鐵分別固定在基礎(chǔ)兩邊，分開一定的距離防止兩個(gè)磁鐵吸在一起。將一個(gè)銅片在兩個(gè)永磁鐵形成的磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，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(yàn)基礎(chǔ)上增添一組空白對照試驗(yàn)。首先在模型中心豎立一個(gè)T型木質(zhì)支架，支架的一側(cè)懸掛一個(gè)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(gè)永磁鐵固定在基礎(chǔ)板上，分別位于建筑物兩側(cè)，使建筑物可在永磁鐵形成的磁場中擺動(dòng)。在支架的另一側(cè)懸掛相同規(guī)格的建筑物，但不同點(diǎn)在于不設(shè)置永磁鐵，以此作為對照(如圖3所示)。

3)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析及結(jié)論。將模型放置在HY-4調(diào)速多用振蕩器上，啟動(dòng)振蕩器。如圖4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，兩個(gè)建筑物擺動(dòng)幅度沒有較為明顯的差異。提高轉(zhuǎn)速至80 r/min，兩個(gè)建筑物的擺動(dòng)幅度出現(xiàn)明顯差異。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到120 r/min時(shí)，可以觀察到以下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：安裝阻尼器的一側(cè)建筑物擺動(dòng)幅度明顯小于沒有安裝阻尼器的一側(cè)。這是因?yàn)殂~片在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生渦流，受到與擺動(dòng)方向相反的安培力作用，銅片的擺動(dòng)幅度減小。繼續(xù)將轉(zhuǎn)速增加至140 r/min，此時(shí)由于振速過高，可近似認(rèn)為建筑物同時(shí)受到一對大小相等、方向相反的作用力，因此兩個(gè)建筑物均沒有大幅度的擺動(dòng)。最后將轉(zhuǎn)速降至120 r/min，使兩個(gè)建筑物再次擁有明顯的擺動(dòng)幅度，此時(shí)關(guān)閉振蕩器，可以觀察到帶有阻尼器的建筑物很快停止晃動(dòng)，不帶有阻尼器的建筑物仍在晃動(dòng)，并且持續(xù)了很長一段時(shí)間才慢慢停止下來。為避免實(shí)驗(yàn)誤差，將兩個(gè)建筑物調(diào)換位置并重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不變，因此我們認(rèn)為建筑物本身對實(shí)驗(yàn)結(jié)果無影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在一定振動(dòng)范圍內(nèi)，電磁阻尼器可以有效控制建筑物晃動(dòng)，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(zāi)起到一定的積極作用。

3 電磁阻尼器在抗震方面的應(yīng)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(guān)型和速度相關(guān)型兩種。金屬阻尼器屬于位移相關(guān)型阻尼器，它可以減小地震響應(yīng)，但是抗疲勞性能差，經(jīng)歷過幾次小型地震或者一次大型地震就需要及時(shí)更換；粘彈性阻尼器屬于速度相關(guān)型阻尼器，可以有效減小結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)和加速度反應(yīng)，布置位置靈活，消能減震能力較強(qiáng)，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(hù)、噪聲小、無污染、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)，電磁阻尼器吸收地震波帶來的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體中的電能，導(dǎo)體再將電能轉(zhuǎn)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(yīng)用前景

在國外，電磁阻尼器已經(jīng)運(yùn)用到工程建設(shè)領(lǐng)域中，并取得了不錯(cuò)的效果。日本處于環(huán)太平洋火山地震帶，是地震高發(fā)區(qū)，因此日本的抗震技術(shù)首屈一指。日本Triton塔的設(shè)計(jì)就是電磁阻尼器在日本高層建筑之間應(yīng)用的具體實(shí)例。此塔采用了連接制振法，通過作動(dòng)器把并立的數(shù)個(gè)高層大樓連接起來，利用各個(gè)大樓之間的相互反作用力來進(jìn)行振動(dòng)控制，對于長周期地震也可以獲得大的控制力[2]。主動(dòng)型連接制振法如圖5所示。

中國人口數(shù)量眾多，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(wěn)定就成為了一個(gè)急需解決的問題。在建筑物越來越高的同時(shí)，建筑物之間的間距也越來越小，這就形成了相鄰結(jié)構(gòu)。在相鄰結(jié)構(gòu)之間安裝電磁阻尼器，避免相互碰撞的同時(shí)，阻尼器也可以吸收地震波動(dòng)輸入于結(jié)構(gòu)的能量，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 結(jié)語

通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究可以得出電磁阻尼器在抗震方面效果顯著的結(jié)論。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁阻尼器的可行性。該阻尼器制作簡單、安全環(huán)保，在我國具有良好的應(yīng)用前景。

注:特別感謝江蘇科技大學(xué)學(xué)生丁怡丹、李文君、劉陳蕊在本實(shí)驗(yàn)研究中做出的特殊貢獻(xiàn)。

[1] 寇寶泉，金銀錫，張 赫，等.電磁阻尼器的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，35(12)：1-2.

[2] [日]背戶一登.動(dòng)力吸振器及其應(yīng)用[M].任明章,譯.北京：機(jī)械工業(yè)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

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