CN2571852Y

CN2571852Y - 一种电磁涡流耗能调谐阻尼器

Info

Publication number: CN2571852Y
Application number: CN 02260480
Authority: CN
Inventors: 方重; 楼梦麟
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2003-09-10
Anticipated expiration: 2012-09-30

Abstract

本实用新型是一种电磁涡流耗能调谐阻尼器。由TMD质量振子、电磁铁或永久磁铁、弹性体组合构成。其磁铁有多个槽口，相邻槽口上导线绕向不同，形成多个磁场，质量振子插入磁场内。弹性体一端与质量振子连接，另一端由支座固定。上述2组机构可设置在同一底板上，相互平行，方向相反。本装置可将阻尼系数设定在最佳值，使高层建筑的抗风、抗震达互最佳效果，并且可保持长期稳定。

Description

一种电磁涡流耗能调谐阻尼器

技术领域

本实用新型属房屋建筑技术领域，具体涉及一种能对高层建筑或高耸结构的振动进行控制的电磁涡流耗能调谐阻尼器。

背景技术

近年来，随着技术进步，大量使用高强、轻质建材，建筑物越建越高，结构越来越柔，同时结构的阻尼也在不断降低。在诸如强风、地震之类的动载荷作用下，高层、高耸结构会产生较为强烈的振动，不仅会让使用者感到不适，还易引起心理恐慌，同时过大的振动还会导致建筑结构的失效和破坏。为了克服设计理论带来的缺陷，人们开始探索一种新的理论和方法，既结构振动控制方法。

在传统的结构设计中，一般是通过增大结构强度、刚度与延性来增强结构自身的抗御风、地震等灾害的能力。而结构控制则是通过在结构上安装控制机构对结构施加控制力，以减轻由于外部激励所引起的结构振动。

结构振动控制可分为被动控制、主动控制和混合控制三种。被动控制是指在无外加能源供给情况下，控制力是在控制装置随结构一起振动或变形时，引起装置自身的运动或变形而被动产生的。主动控制是在有外加能源供给情况下，控制力是控制装置按某种控制规律，利用外加能源主动施加的。混合控制就是在结构上同时应用被动控制和主动控制，或者是同时应用不止一种方式的主、被动控制装置，这样可以充分发挥各种控制形式和各种方式的长处。

结构的被动控制不需要能源，原理和装置都比较简单，实现起来比较容易，适用性、可靠性较好，因此在土木工程中应用较多。被动控制可分为吸能减振、基础隔振、耗能减振等三类。吸能减振在工程实践尤其在超高层建筑中用得较多，大致可以分为两类：

1、调谐质量阻尼器

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper-TMD)就是在建筑主体结构上部附加一个质量块、弹簧、阻尼器，组成一个子振动系统。原主体结构上安装了TMD系统后，结构的动力特性将发生较大的变化。当结构承受地震和强风等动力荷载时，既可通过TMD与主结构的相互作用，实现能量从主结构向TMD系统的转移并加以消耗，达到减小主结构振动的目的。

2、调谐液体阻尼器

调谐液体阻尼器(Tuned Liquid Damper-TLD)在结构振动控制中的应用始于二十世纪80年代。它是利用调整液体阻尼器，在结构振动过程中，液体对阻尼器箱壁产生的动压差来作为结构控制力的，从而达到在地震或强风时，减小结构振动的目的。

目前TMD、TLD装置已被用于美国波士顿的John Hancock大厦、纽约的Citicorp大楼及澳大利亚悉尼Centerpoint电视塔、加拿大多伦多电视塔及日本很多建筑物的风振或地震响应控制。在我国也有一些电视塔与建筑物采用TMD、TLD等装置进行结构控制。由于TMD、TLD等装置体积一般很大，往往要占用很大空间，因此在实际TLD的应用中，常利用建筑物已有的水箱设备层等作为装置的一部分。

对于TMD理论研究证明，存在一个最佳的TMD阻尼系数，将TMD的阻尼器调整在此值时，建筑物能得到最有效的减振效果，大于或小于此值，减振效果将打折扣。为此，在工程实践中，都将阻尼器的参数设计得可以调整。并且要求参数在很长的时间内稳定，这样可以保证建筑物也在很长的时间内具有最有效的减振效果。

设计出来的TMD质量、弹簧参数要在实际工程上实现，相对来说还比较容易。但要实现一个参数很长时间内稳定、参数又容易调节的阻尼器，就不那么简单了。因此设计一个成功的阻尼器往往成为设计TMD的关键。在现有工程实践中已应用的TMD阻尼器的方式有多种；电液伺服式、液压阻尼式等。其中电液伺服式效果很好，阻尼系数方便可调，相对来说也比较稳定，但是造价昂贵，需要良好的保养和维修。液压阻尼式的阻尼系数受到温度和油的品质随时间改变的影响，不能在长时间内稳定，因此不能在长时间内得到最佳的减振效果。

发明内容

本实用新型的目的是设计一种用于TMD的阻尼器，使其结构简单可靠、成本低廉，阻尼参数方便可调，又能在很长时期内稳定可靠。

本实用新型方案的原理是利用金属导体在磁场中运动时，由于切割了磁力线而产生感应电流(涡流)，产生实际应用的电磁阻尼。如图1.所示。当把铜片或铝片悬挂在电磁铁两极间，形成一个摆。如果电磁铁中的线圈没有通电，两极间无磁场，则摆要经过很长时间才停止下来。若将电磁铁的线圈与电源接通，两极间产生磁场，当摆朝着电磁铁间的磁场运动时，穿过摆面的铜片由于切割了磁场，在铜片内产生了感应电流。根据楞次定律，感应电流的效果总是阻碍导体在磁场之间的运动。因此摆的运动受到了阻力。摆的运动能量变为热能而消耗，摆也就很快停止，称这种阻止摆运动的阻力为电磁阻尼。

如果把TMD的质量以某种方式与一些导体相连，而导体又置于磁场之中，在TMD的质量运动时，质量也就受到电磁阻尼，将建筑物的振动转化到TMD质量的动能并又在运动导体内以涡流热能快速消耗，建筑物的振动很快得以衰减。

根据上述原理，本实用新型设计的用于TMD的阻尼器，由TMD质量振子(TMD的m)、电磁铁或永久磁铁(TMD的c)、各种形式的弹性体(TMD的k)组合构成。其中质量振子由多片导体材料组成，质量质子插入电磁铁或永久磁铁的磁场内，其另一端与弹性体的一端连接，而弹性体的另一端由支座固定，其结构如图2、图5和图6所示。

本实用新型中，电磁铁采用多重一重叠结构，形成多个槽口(磁极)，在相邻的槽口(磁极)上导线的饶向不同，从而在槽口(极靴)形成多个磁场，质量振子的多个导体材料在中间运动，发热耗能，形成一个阻尼器件(TMD的c)，见图2和图4所示。槽口的个数可根据设定的阻尼力的大小确定，一般为2个以上，例如2-20个，甚至可以更多。

本实用新型中，质量振子(m)为多个叉形的结构，且该叉形与磁铁的多个槽口匹配，以便嵌入其中，见图3所示。

本实用新型中，弹性体(k)可采用一个矩形截面的钢条或其它形式的弹簧。

本实用新型中，质量振子(m)、弹性体(k)和电磁铁或永久磁铁阻尼器件(c)安装在一个铁底板上。为了使TMD机构的质量振子在振动时不会形成底板的摇摆振动，在旁边另外设置一组完全相同的机构，两组机构相互平行方向相反。后者与前者的TMD机构一样，起着阻尼减振的作用，同时也与原先的TMD机构互补，防止了底板的摇动。

由于本实用新型根据电磁涡流耗能原理设计。故称其为电磁涡流耗能调谐阻尼器。由本实用新型设计的阻尼器安装在一个钢结构的模型上，并进行了模拟地震的振动台的试验。模型试验的结果表明：电磁耗能阻尼器TMD用于高层建筑或高耸结构的抗振和抗风效果明显。

本实用新型的优点如下：

1、由于电磁铁线圈内的电流可以通过改变电压或改变电阻连续可调，因此磁场的大小和涡流就可方便地得到调整。即阻尼系数可以在很大的范围内设定，并且可设定在最佳值。从而使高层建筑抗风、抗震达到最佳效果。

2、一旦阻尼器安装和调整好之后，由于导体材料、导线材料以及磁性材料的物理特性，几十年是不会又什么变化的；而电流等参数要保持稳定，已不是难事，因此阻尼系数的时间稳定性很好，可以实现几十年不变。从而保证了这种TMD的最佳减振效果长期保持不变。

3、结构简单可靠，易制造，造价低。由于稳定性好，又无什么复杂的传动机构，所以几乎没有什么保养维修。与采用液压阻尼器、电液伺服阻尼器的TMD相比，节省了很多人力和费用。

4、由于结构简单，制造方便，产品可以实现系列化、标准化。高层建筑和高耸结构可以利用闲散空间大小选用大小不同的TMD产品，实现群体TMD减振方法，克服了有些TMD方法(电液伺服TMD)必须在高层占用楼面很大面积，从而减少建筑的使用面积的不足。

附图说明

图1为本实用新型的工作原理图。

图2为阻尼器件结构图示。

图3为本实用新型质量子结构图示。

图4为本实用新型电磁铁结构图示。

图5为本实用新型装置结构平面图示。

图6为本实用新型装置结构立面图示。

图中标号：1为磁铁，2为线圈，3为质量振子，4为弹性体，5为支座，6为底板，7为电源。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本实用新型。

实施例：质量振子采用铝材料散热片制成，尺寸为80×60×80，在它的平面端，安装有连接弹性钢杆4的支座5。

电磁铁导磁材料采用A3钢，尺寸为80×80×110，有5个槽口，直径为1mm的漆包线在槽口内多圈绕制制成。

弹性钢杆4采用矩形截面的中碳钢材料，截面尺寸为50×5，长度为400左右，一头连接在质量振子上，一头固定在支座上。

以上的质量振子、电磁铁、弹性钢杆，按图6组装成一套TMD装置。总共制造两套，按不同排列方向(见图5)，安装在一块600×300厚度为5mm的钢底板白上。两套电磁铁的线圈串联，由直流电源供电。

整套TMD装置安装在一个1.5米，由小型型钢连接成的钢结构架子上，整个钢架连同TMD装置，安装在振动台上做了模拟多种地震的试验。试验证明；加速度的减振效果达到30％-70％。

Claims

1、一种电磁涡流耗能调谐阻尼器，由TMD质量振子、电磁铁或永久磁铁、弹性体组合构成，其特征在于质量振子(3)由多片导体材料组成，质量振子(3)插入电磁铁或永久磁铁的磁场内，其另一端与弹性体(4)的一端连接，而弹性体(4)的另一端由支座(5)固定。

2、根据权利要求1所述的阻尼器，其特征在于电磁铁采用多重一重叠结构，形成多个槽口，在相邻槽口上导线的绕向不同，从而形成多个磁场；质量振子的多个导体材料在中间运动，形成一个阻尼器件。

3、根据权利要求1所述的阻尼器，其特征在于弹性体采用矩形截面的钢条或其他形式的弹簧。

4、根据权利要求1或2或3所述的阻尼器，其特征在于2组质量振子(3)、弹性体(4)、电磁铁或永久磁铁安装在一个铁底板(6)上，2组机构相互平行，方向相反。