附加电磁阻尼器的悬挂结构减震模型自制及实验研究

张晶钰 董祥晨 裴星洙

(江苏科技大学，江苏 镇江 212000)



附加电磁阻尼器的悬挂结构减震模型自制及实验研究

张晶钰 董祥晨 裴星洙

(江苏科技大学，江苏 镇江 212000)

基于电磁阻尼器的应用需求，提出了悬挂结构的模型与减震原理，并通过HY-4调速多用振荡器，对安装阻尼器后的悬挂子结构进行实验对照分析，验证了电磁阻尼器的减震作用。

电磁阻尼器，悬挂结构，抗震性能，振荡器

地震是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地震常常会造成经济损失和人员伤亡，给人们的生活蒙上一层阴影。当前的科技水平无法及时预测地震，因此抗震减灾势在必行，阻尼器应运而生。电磁阻尼器是根据金属板在磁场中运动产生涡流和阻尼力，同时将机械能转化为电阻热从而耗散能量的工作原理制作的一种新型阻尼器。目前应用较多的阻尼器各自有缺陷，与之相比，电磁阻尼器具有一定的优势。

1 悬挂结构

悬挂结构是将楼面系统的荷载通过吊杆传递到悬挂在柱子的横梁上，再由横梁传递到柱子直至基础的结构(如图1所示)。悬挂结构由框架主结构与多个悬挂子结构组成，框架主结构中的柱子和横梁刚度极大，满足子结构的悬挂要求。

为达到抗震要求，在子结构两侧安装电磁阻尼器提高结构的抗震性能。

2 电磁阻尼器简介

2.1 电磁阻尼器的工作原理

电磁阻尼器运用的基本原理为电磁感应定律：闭合导体在磁场中做切割磁感线运动时，磁通量发生改变，导体中产生感应电流即涡流。结合楞次定律可以得出：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量变化，即会阻碍两者的相对运动。

2.2 模型实验

1)主要仪器设备及材料。50 mm×50 mm×25 mm永磁铁两块、10 cm×20 cm薄铜片四个、10 cm×20 cm×2 cm泡沫板两块、T型木质支架一个、HY-4调速多用振荡器(转速增加跨度为10 r/min)。

2)对照实验。将两个磁性很大的永磁铁分别固定在基础两边，分开一定的距离防止两个磁铁吸在一起。将一个铜片在两个永磁铁形成的磁场中做切割磁感线运动，可明显感觉有阻力存在，这就是阻尼力(如图2所示)。证明阻尼力存在后，在原有试验基础上增添一组空白对照试验。首先在模型中心竖立一个T型木质支架，支架的一侧悬挂一个建筑物模型(以下简称建筑物)，所用材料为铜片和泡沫板。将两个永磁铁固定在基础板上，分别位于建筑物两侧，使建筑物可在永磁铁形成的磁场中摆动。在支架的另一侧悬挂相同规格的建筑物，但不同点在于不设置永磁铁，以此作为对照(如图3所示)。

3)实验现象分析及结论。将模型放置在HY-4调速多用振荡器上，启动振荡器。如图4所示，当转速较低时，两个建筑物摆动幅度没有较为明显的差异。提高转速至80 r/min，两个建筑物的摆动幅度出现明显差异。当转速达到120 r/min时，可以观察到以下实验现象：安装阻尼器的一侧建筑物摆动幅度明显小于没有安装阻尼器的一侧。这是因为铜片在磁场中做切割磁感线运动时产生涡流，受到与摆动方向相反的安培力作用，铜片的摆动幅度减小。继续将转速增加至140 r/min，此时由于振速过高，可近似认为建筑物同时受到一对大小相等、方向相反的作用力，因此两个建筑物均没有大幅度的摆动。最后将转速降至120 r/min，使两个建筑物再次拥有明显的摆动幅度，此时关闭振荡器，可以观察到带有阻尼器的建筑物很快停止晃动，不带有阻尼器的建筑物仍在晃动，并且持续了很长一段时间才慢慢停止下来。为避免实验误差，将两个建筑物调换位置并重复以上实验，实验结果不变，因此我们认为建筑物本身对实验结果无影响。

实验结论：在一定振动范围内，电磁阻尼器可以有效控制建筑物晃动，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，对抗震减灾起到一定的积极作用。

3 电磁阻尼器在抗震方面的应用前景

3.1 各类阻尼器的对比分析

我国将阻尼器分为位移相关型和速度相关型两种。金属阻尼器属于位移相关型阻尼器，它可以减小地震响应，但是抗疲劳性能差，经历过几次小型地震或者一次大型地震就需要及时更换；粘弹性阻尼器属于速度相关型阻尼器，可以有效减小结构的位移反应和加速度反应，布置位置灵活，消能减震能力较强，但是允许相对位移不大，从而限制了减震效果。此外粘弹性阻尼器受温度、频率等多种因素影响较大。与上述阻尼器相比，电磁阻尼器具有方便维护、噪声小、无污染、可靠性高等优点。当地震来临时，电磁阻尼器吸收地震波带来的机械能并转化为导体中的电能，导体再将电能转化为热能释放，可以有效减少地震给建筑物带来的危害[1]。

3.2 电磁阻尼器的应用前景

在国外，电磁阻尼器已经运用到工程建设领域中，并取得了不错的效果。日本处于环太平洋火山地震带，是地震高发区，因此日本的抗震技术首屈一指。日本Triton塔的设计就是电磁阻尼器在日本高层建筑之间应用的具体实例。此塔采用了连接制振法，通过作动器把并立的数个高层大楼连接起来，利用各个大楼之间的相互反作用力来进行振动控制，对于长周期地震也可以获得大的控制力[2]。主动型连接制振法如图5所示。

中国人口数量众多，随着社会经济的发展，城市建筑用地变得越来越少，建筑师们追求建筑物的高度来满足人类居住的需求，但如何保证高层建筑安全稳定就成为了一个急需解决的问题。在建筑物越来越高的同时，建筑物之间的间距也越来越小，这就形成了相邻结构。在相邻结构之间安装电磁阻尼器，避免相互碰撞的同时，阻尼器也可以吸收地震波动输入于结构的能量，从而提高结构的抗震性能。

4 结语

通过理论分析和实验研究可以得出电磁阻尼器在抗震方面效果显著的结论。通过实验验证了电磁阻尼器的可行性。该阻尼器制作简单、安全环保，在我国具有良好的应用前景。

注:特别感谢江苏科技大学学生丁怡丹、李文君、刘陈蕊在本实验研究中做出的特殊贡献。

[1] 寇宝泉，金银锡，张 赫，等.电磁阻尼器的发展现状与应用前景[J].中国电机工程学报，35(12)：1-2.

[2] [日]背户一登.动力吸振器及其应用[M].任明章,译.北京：机械工业出版社，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

张晶钰(1995- ),女,在读本科生； 董祥晨(1995- ),男,在读本科生； 裴星洙(1954- ),男,教授

TU352

A