專利名稱：電磁渦流耗能調(diào)諧阻尼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬房屋建筑技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種能對高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)的振動進(jìn)行控制的電磁渦流耗能調(diào)諧阻尼器。
在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般是通過增大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度與延性來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身的抗御風(fēng)、地震等災(zāi)害的能力。而結(jié)構(gòu)控制則是通過在結(jié)構(gòu)上安裝控制機(jī)構(gòu)對結(jié)構(gòu)施加控制力，以減輕由于外部激勵所引起的結(jié)構(gòu)振動。
結(jié)構(gòu)振動控制可分為被動控制、主動控制和混合控制三種。被動控制是指在無外加能源供給情況下，控制力是在控制裝置隨結(jié)構(gòu)一起振動或變形時，引起裝置自身的運(yùn)動或變形而被動產(chǎn)生的。主動控制是在有外加能源供給情況下，控制力是控制裝置按某種控制規(guī)律，利用外加能源主動施加的。混合控制就是在結(jié)構(gòu)上同時應(yīng)用被動控制和主動控制，或者是同時應(yīng)用不止一種方式的主、被動控制裝置，這樣可以充分發(fā)揮各種控制形式和各種方式的長處。
結(jié)構(gòu)的被動控制不需要能源，原理和裝置都比較簡單，實現(xiàn)起來比較容易，適用性、可靠性較好，因此在土木工程中應(yīng)用較多。被動控制可分為吸能減振、基礎(chǔ)隔振、耗能減振等三類。吸能減振在工程實踐尤其在超高層建筑中用得較多，大致可以分為兩類1、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper-TMD)就是在建筑主體結(jié)構(gòu)上部附加一個質(zhì)量塊、彈簧、阻尼器，組成一個子振動系統(tǒng)。原主體結(jié)構(gòu)上安裝了TMD系統(tǒng)后，結(jié)構(gòu)的動力特性將發(fā)生較大的變化。當(dāng)結(jié)構(gòu)承受地震和強(qiáng)風(fēng)等動力荷載時，既可通過TMD與主結(jié)構(gòu)的相互作用，實現(xiàn)能量從主結(jié)構(gòu)向TMD系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移并加以消耗，達(dá)到減小主結(jié)構(gòu)振動的目的。
2、調(diào)諧液體阻尼器調(diào)諧液體阻尼器(Tuned Liquid Damper-TLD)在結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用始于二十世紀(jì)80年代。它是利用調(diào)整液體阻尼器，在結(jié)構(gòu)振動過程中，液體對阻尼器箱壁產(chǎn)生的動壓差來作為結(jié)構(gòu)控制力的，從而達(dá)到在地震或強(qiáng)風(fēng)時，減小結(jié)構(gòu)振動的目的。
目前TMD、TLD裝置已被用于美國波士頓的John Hancock大廈、紐約的Citicorp大樓及澳大利亞悉尼Centerpoint電視塔、加拿大多倫多電視塔及日本很多建筑物的風(fēng)振或地震響應(yīng)控制。在我國也有一些電視塔與建筑物采用TMD、TLD等裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)控制。由于TMD、TLD等裝置體積一般很大，往往要占用很大空間，因此在實際TLD的應(yīng)用中，常利用建筑物已有的水箱設(shè)備層等作為裝置的一部分。
對于TMD理論研究證明，存在一個最佳的TMD阻尼系數(shù)，將TMD的阻尼器調(diào)整在此值時，建筑物能得到最有效的減振效果，大于或小于此值，減振效果將打折扣。為此，在工程實踐中，都將阻尼器的參數(shù)設(shè)計得可以調(diào)整。并且要求參數(shù)在很長的時間內(nèi)穩(wěn)定，這樣可以保證建筑物也在很長的時間內(nèi)具有最有效的減振效果。
設(shè)計出來的TMD質(zhì)量、彈簧參數(shù)要在實際工程上實現(xiàn)，相對來說還比較容易。但要實現(xiàn)一個參數(shù)很長時間內(nèi)穩(wěn)定、參數(shù)又容易調(diào)節(jié)的阻尼器，就不那么簡單了。因此設(shè)計一個成功的阻尼器往往成為設(shè)計TMD的關(guān)鍵。在現(xiàn)有工程實踐中已應(yīng)用的TMD阻尼器的方式有多種；電液伺服式、液壓阻尼式等。其中電液伺服式效果很好，阻尼系數(shù)方便可調(diào)，相對來說也比較穩(wěn)定，但是造價昂貴，需要良好的保養(yǎng)和維修。液壓阻尼式的阻尼系數(shù)受到溫度和油的品質(zhì)隨時間改變的影響，不能在長時間內(nèi)穩(wěn)定，因此不能在長時間內(nèi)得到最佳的減振效果。
本發(fā)明方案的原理是利用金屬導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時，由于切割了磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，產(chǎn)生實際應(yīng)用的電磁阻尼。如

圖1.所示。當(dāng)把銅片或鋁片懸掛在電磁鐵兩極間，形成一個擺。如果電磁鐵中的線圈沒有通電，兩極間無磁場，則擺要經(jīng)過很長時間才停止下來。若將電磁鐵的線圈與電源接通，兩極間產(chǎn)生磁場，當(dāng)擺朝著電磁鐵間的磁場運(yùn)動時，穿過擺面的銅片由于切割了磁場，在銅片內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的效果總是阻礙導(dǎo)體在磁場之間的運(yùn)動。因此擺的運(yùn)動受到了阻力。擺的運(yùn)動能量變?yōu)闊崮芏?，擺也就很快停止，稱這種阻止擺運(yùn)動的阻力為電磁阻尼。
如果把TMD的質(zhì)量以某種方式與一些導(dǎo)體相連，而導(dǎo)體又置于磁場之中，在TMD的質(zhì)量運(yùn)動時，質(zhì)量也就受到電磁阻尼，將建筑物的振動轉(zhuǎn)化到TMD質(zhì)量的動能并又在運(yùn)動導(dǎo)體內(nèi)以渦流熱能快速消耗，建筑物的振動很快得以衰減。
根據(jù)上述原理，本發(fā)明設(shè)計的用于TMD的阻尼器，由TMD質(zhì)量振子(TMD的m)、電磁鐵或永久磁鐵(TMD的c)、各種形式的彈性體(TMD的k)組合構(gòu)成。其中質(zhì)量振子由多片導(dǎo)體材料組成，質(zhì)量質(zhì)子插入電磁鐵或永久磁鐵的磁場內(nèi)，其另一端與彈性體的一端連接，而彈性體的另一端由支座固定，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖5和圖6所示。
本發(fā)明中，電磁鐵采用多重—重疊結(jié)構(gòu)，形成多個槽口(磁極)，在相鄰的槽口(磁極)上導(dǎo)線的饒向不同，從而在槽口(極靴)形成多個磁場，質(zhì)量振子的多個導(dǎo)體材料在中間運(yùn)動，發(fā)熱耗能，形成一個阻尼器件(TMD的c)，見圖2和圖4所示。槽口的個數(shù)可根據(jù)設(shè)定的阻尼力的大小確定，一般為2個以上，例如2-20個，甚至可以更多。
本發(fā)明中，質(zhì)量振子(m)為多個叉形的結(jié)構(gòu)，且該叉形與磁鐵的多個槽口匹配，以便嵌入其中，見圖3所示。
本發(fā)明中，彈性體(k)可采用一個矩形截面的鋼條或其它形式的彈簧。
本發(fā)明中，質(zhì)量振子(m)、彈性體(k)和電磁鐵或永久磁鐵阻尼器件(c)安裝在一個鐵底板上。為了使TMD機(jī)構(gòu)的質(zhì)量振子在振動時不會形成底板的搖擺振動，在旁邊另外設(shè)置一組完全相同的機(jī)構(gòu)，兩組機(jī)構(gòu)相互平行方向相反。后者與前者的TMD機(jī)構(gòu)一樣，起著阻尼減振的作用，同時也與原先的TMD機(jī)構(gòu)互補(bǔ)，防止了底板的搖動。
由于本發(fā)明根據(jù)電磁渦流耗能原理設(shè)計。故稱其為電磁渦流耗能調(diào)諧阻尼器。由本發(fā)明設(shè)計的阻尼器安裝在一個鋼結(jié)構(gòu)的模型上，并進(jìn)行了模擬地震的振動臺的試驗。模型試驗的結(jié)果表明電磁耗能阻尼器TMD用于高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)的抗振和抗風(fēng)效果明顯。
本發(fā)明的優(yōu)點如下1、由于電磁鐵線圈內(nèi)的電流可以通過改變電壓或改變電阻連續(xù)可調(diào)，因此磁場的大小和渦流就可方便地得到調(diào)整。即阻尼系數(shù)可以在很大的范圍內(nèi)設(shè)定，并且可設(shè)定在最佳值。從而使高層建筑抗風(fēng)、抗震達(dá)到最佳效果。
2、一旦阻尼器安裝和調(diào)整好之后，由于導(dǎo)體材料、導(dǎo)線材料以及磁性材料的物理特性，幾十年是不會又什么變化的；而電流等參數(shù)要保持穩(wěn)定，已不是難事，因此阻尼系數(shù)的時間穩(wěn)定性很好，可以實現(xiàn)幾十年不變。從而保證了這種TMD的最佳減振效果長期保持不變。
3、結(jié)構(gòu)簡單可靠，易制造，造價低。由于穩(wěn)定性好，又無什么復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)，所以幾乎沒有什么保養(yǎng)維修。與采用液壓阻尼器、電液伺服阻尼器的TMD相比，節(jié)省了很多人力和費(fèi)用。
4、由于結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，產(chǎn)品可以實現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)可以利用閑散空間大小選用大小不同的TMD產(chǎn)品，實現(xiàn)群體TMD減振方法，克服了有些TMD方法(電液伺服TMD)必須在高層占用樓面很大面積，從而減少建筑的使用面積的不足。
圖2為阻尼器件結(jié)構(gòu)圖示。
圖3為本發(fā)明質(zhì)量子結(jié)構(gòu)圖示。
圖4為本發(fā)明電磁鐵結(jié)構(gòu)圖示。
圖5為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)平面圖示。
圖6為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)立面圖示。
圖中標(biāo)號1為磁鐵，2為線圈，3為質(zhì)量振子，4為彈性體，5為支座，6為底板，7為電源。
實施例質(zhì)量振子采用鋁材料散熱片制成，尺寸為80×60×80，在它的平面端，安裝有連接彈性鋼桿4的支座5。
電磁鐵導(dǎo)磁材料采用A3鋼，尺寸為80×80×110，有5個槽口，直徑為1mm的漆包線在槽口內(nèi)多圈繞制制成。
彈性鋼桿4采用矩形截面的中碳鋼材料，截面尺寸為50×5，長度為400左右，一頭連接在質(zhì)量振子上，一頭固定在支座上。
以上的質(zhì)量振子、電磁鐵、彈性鋼桿，按圖6組裝成一套TMD裝置?？偣仓圃靸商?，按不同排列方向(見圖5)，安裝在一塊600×300厚度為5mm的鋼底板白上。兩套電磁鐵的線圈串聯(lián)，由直流電源供電。
整套TMD裝置安裝在一個1.5米，由小型型鋼連接成的鋼結(jié)構(gòu)架子上，整個鋼架連同TMD裝置，安裝在振動臺上做了模擬多種地震的試驗。試驗證明；加速度的減振效果達(dá)到30％--70％。
權(quán)利要求
1.一種電磁渦流耗能調(diào)諧阻尼器，由TMD質(zhì)量振子、電磁鐵或永久磁鐵、彈性體組合構(gòu)成，其特征在于質(zhì)量振子(3)由多片導(dǎo)體材料組成，質(zhì)量振子(3)插入電磁鐵或永久磁鐵的磁場內(nèi)，其另一端與彈性體(4)的一端連接，而彈性體(4)的另一端由支座(5)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征在于電磁鐵采用多重一重疊結(jié)構(gòu)，形成多個槽口，在相鄰槽口上導(dǎo)線的繞向不同，從而形成多個磁場；質(zhì)量振子的多個導(dǎo)體材料在中間運(yùn)動，形成一個阻尼器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的阻尼器，其特征在于彈性體采用矩形截面的鋼條或其他形式的彈簧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的阻尼器，其特征在于2組質(zhì)量振子(3)、彈性體(4)、電磁鐵或永久磁鐵安裝在一個鐵底板(6)上，2組機(jī)構(gòu)相互平行，方向相反。
全文摘要
本發(fā)明是一種電磁渦流耗能調(diào)諧阻尼器。由TMD質(zhì)量振子、電磁鐵或永久磁鐵、彈性體組合構(gòu)成。其磁鐵有多個槽口，相鄰槽口上導(dǎo)線繞向不同，形成多個磁場，質(zhì)量振子插入磁場內(nèi)。彈性體一端與質(zhì)量振子連接，另一端由支座固定。上述2組機(jī)構(gòu)可設(shè)置在同一底板上，相互平行，方向相反。本裝置可將阻尼系數(shù)設(shè)定在最佳值，使高層建筑的抗風(fēng)、抗震達(dá)互最佳效果，并且可保持長期穩(wěn)定。
文檔編號H02K49/00GK1415811SQ0213729
公開日2003年5月7日 申請日期2002年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者方重, 樓夢麟 申請人:同濟(jì)大學(xué)