永磁式电涡流调谐质量阻尼器的研制与性能试验

    引　言

    吸能减振是结构振动控制的一种重要方式，主要有调谐质量阻尼器 （ＴＭＤ），调 谐液体阻尼器（ＴＬＤ）与调谐液柱阻尼器 （ＴＬＣＤ）等形式。ＴＭＤ最早可以追溯到１９４７年提出的动力吸振器，作为一种被动控制装置，原理简单，设计方法较为成熟，且实用可靠［１～３］。典型的应用有：改善高层高耸结构的抗风性能、大跨度桥梁的风振振动控制、长悬臂空间结构与人行桥的人致振动控制、结构的地震响应控制等［４～８］。

    ＴＭＤ主要由质量块、调谐频率的弹性元件与耗散结构振动能量的阻尼元件三大组件构成。弹性元件主要有弹簧、摆与悬臂梁等方式。采用弹簧作为弹性元件的优势是刚度比较容易设计与调整，且所需空间小，尤其适合竖向ＴＭＤ采用。水平ＴＭＤ常采用摆与悬臂梁等形式，摆式相对而言，需要较大难，复摆可在一些程度上解决这一问题；悬臂梁式所需空间适当，且无需导向，但是悬臂梁的固定端部存在应力集中现象，在ＴＭＤ长期工作中，有可能发生疲劳损伤。至于阻尼元件，小型ＴＭＤ的阻尼构件一般采用橡胶等高阻尼材料，大型ＴＭＤ则采用液体粘滞阻尼器等。但是，橡胶材料存在老化，以及刚度与阻尼不易分离的缺点，粘滞阻尼器存在漏油和不易养护等问题。而且，ＴＭＤ的阻尼在后期均很难调节。

    电涡流阻尼作为一种极有前途的阻尼形式，目前主要用于航天结构振动控制、汽车刹车与高速列车制动等，研究成果也比较丰富［９］。电涡流阻尼具有非接触、无机械磨损等优点，在振动控制领域中有着广泛的应用前景。然而，其在土木工程中的研究与应用，目前还比较少见。Ｌａｒｏｓｅ等基于电涡流阻尼原理制作了用于控制全桥气弹模型风致振动的微型ＴＭＤ并通 过风洞试验验证了良好的 减 振 效果［１０］。同济大学的万重和楼梦麟等开发了采用电磁铁提供励磁磁场的小型电涡流ＴＭＤ，并开展了建筑结构的地震振动台减震效果试验。然而，基于电涡流阻尼的现有ＴＭＤ均属概念性研究，本文拟研制直接面向实际工程应用的大吨位永磁式电涡流ＴＭＤ［１１，１２］，并进行性能测试与简化理论分析。

    １　永磁式电涡流ＴＭＤ设计

    １．１　基本参数

　　根据课题组的前期研究成果［７］，某大跨度人行桥减振项目需要安装３套竖向ＴＭＤ，以分别控制人行桥的３阶竖弯模态（固有频率分别为１．６５，１．８８与２．０５Ｈｚ）振动，对应的ＴＭＤ活动质量分别为１４．１６，１３．３１与４．０６ｔ。可见为满足该桥减振需要，至少需要研制１ｔ级的单台ＴＭＤ减振装置。本文拟研制的竖向ＴＭＤ样机质量７１５ｋｇ、振动频率１．９～２Ｈｚ、阻尼比６％，据此计算得到的ＴＭＤ刚度系数、阻尼系数分别为１０１．９０～１１２．９１ｋＮ／ｍ，１．０２～１．０８ｋＮｓ／ｍ。