潘 毅 ，周 盟 ，郭 瑞 ，胡思遠 ，林擁軍

（1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學抗震工程技術四川省重點實驗室，四川 成都610031）

基礎隔震技術是通過在基礎和上部結構之間設置隔震裝置，延長結構的自振周期，避開地震動的主頻范圍，從而減少結構的地震反應.自20 世紀60年代以來，國內外學者對隔震結構進行了大量研究，取得了許多成果[1-3].但過去的理論研究和工程應用多針對水平隔震，水平隔震裝置主要有：橡膠隔震體系、滑動摩擦隔震體系、摩擦擺隔震體系等；而對豎向隔震的研究有限，豎向隔震裝置有：彈簧-阻尼器體系[4]、液壓油缸-蓄能器體系[5]等.但地震動不僅僅包含水平地震動分量，還具有豎向地震動分量，特別是在近斷層地震區(qū)[6-7].要同時實現(xiàn)對結構的水平和豎向隔震并非易事，要對結構進行豎向隔震，就需要隔震裝置有較小的豎向剛度，但為了不使結構發(fā)生過大的豎向變形，又要求隔震裝置有足夠的豎向剛度，以支撐上部結構[8].此矛盾采用傳統(tǒng)的隔震裝置難以克服，也成為阻礙隔震結構進一步發(fā)展的技術瓶頸.同時，我國又是一個地震多發(fā)的國家，歷次大地震都給我們留下了慘痛的記憶.因此，應該重視結構隔震技術的前沿研究領域，并應用到實際工程中去，以減輕地震破壞和人員傷亡.

磁懸?。╡lectromagnetic levitation）是指利用磁力克服重力使物體懸浮的一種技術[9]，它綜合了材料學、電磁學、控制理論、電力電子技術、信號處理和計算機等多門學科.1842年，英國物理學家Earnshow 就提出了磁懸浮的概念.隨著控制理論和技術、計算機科學和裝備制造水平的不斷提高，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，磁懸浮技術廣泛應用在航天航空、機械制造、交通運輸?shù)阮I域，特別是在磁懸浮列車[10].1986年，西南交通大學就率先召開了首屆磁浮技術與磁浮列車技術研究大會，成為國內較早啟動該領域研究的高校.磁懸浮技術在列車上的應用，證明了其能夠提供較大且穩(wěn)定的懸浮力[11-12].現(xiàn)有常導磁懸浮技術在懸浮氣隙為10 mm 時，可提供200 kPa的穩(wěn)定懸浮力，基本可滿足15 層及以下民用建筑的承載力要求[13]，為磁懸浮技術在隔震建筑上的應用提供了可能.

由于磁懸浮技術的獨特優(yōu)勢，可以對上部物體進行無接觸式懸浮控制，這使得同時實現(xiàn)水平和豎向隔震成為可能，并可根據(jù)地震作用的大小，對上部結構進行主動控制.日本學者山野健次發(fā)明了一個多層建筑磁懸浮隔震裝置[14]，中國學者夏昌提出了適用于高層建筑的磁懸浮隔震裝置[15].然而，國內外對磁懸浮技術在土木工程中應用的研究還很少.因此，要將磁懸浮技術真正應用到建筑隔震的實際工程，還面臨諸多技術難點[16].

對此，本文首先介紹基于磁懸浮技術的建筑隔震基本原理和工作過程，然后闡述永磁體軌道-電磁鐵、銜鐵-電磁鐵這兩種磁懸浮隔震體系的理論研究進展和隔震裝置研發(fā)情況，最后對磁懸浮技術在建筑隔震應用中的技術難點和問題進行了分析，并對建筑結構磁懸浮隔震技術的發(fā)展提出了建議.

1 磁懸浮隔震的基本原理

基于磁懸浮技術的建筑隔震是通過在房屋的基礎與上部結構之間設置磁懸浮隔震裝置，利用懸浮力將基礎與上部結構斷開，形成基礎與上部結構之間的無物理接觸，從而避免或減小地震對上部結構的破壞.早在1934年，KEMPER H 就采用電磁力對物體進行懸浮控制，并申請了相關專利[17].電磁力的大小是通過算法來進行控制，因此控制算法是磁懸浮技術的關鍵問題之一[9,18]，目前主要有：PID 控制算法、模糊控制算法、魯棒控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法、滑模變結構控制算法、線性二次型最優(yōu)控制算法、自適應控制算法等[19-20]，且在不同領域得到了應用[21-22]，例如電磁軸承、磁懸浮列車、電磁懸浮工作臺、電磁懸浮熔爐、磁懸浮電機、磁懸浮飛輪、磁懸浮電磁彈射系統(tǒng)等[23-28].

在建筑工程領域，基于磁懸浮技術的建筑隔震是地震預警技術[29]、磁懸浮控制技術和建筑抗震技術的綜合應用.理想的磁懸浮隔震工作過程可分為4 個階段（見圖1）.

第1 階段為地震預警階段.當?shù)卣鸢l(fā)生時，地震預警系統(tǒng)利用地震P 波的波速快于S 波和面波，且電磁波的波速遠大于地震波的原理，對磁懸浮隔震裝置發(fā)出預警信號；

第2 階段為隔震建筑提升階段.磁懸浮隔震裝置在接收到地震預警信號后，電磁鐵隨即接通電流，提升隔震建筑，斷開與基礎的連接；

第3 階段為隔震建筑地震響應階段.當隔震建筑提升到設計高度后，地震作用傳遞到建筑基礎上，基礎與建筑的相對位移發(fā)生變化，懸浮力大小隨位移實時變化，利用相應的控制算法來調節(jié)電流大小，使懸浮力與上部結構自重保持平衡，減小水平與豎向地震作用；

第4 階段為隔震建筑震后下落階段.當?shù)卣鸾Y束后，采用相應的控制算法將上部結構和基礎校準后緩慢下落，并與基礎再次進行連接，最后斷開電流，隔震建筑恢復如初.

對于如何將磁懸浮技術應用于隔震建筑，實現(xiàn)建筑結構的水平與豎向隔震，目前在研究的磁懸浮隔震體系主要有永磁體軌道-電磁鐵、銜鐵-電磁鐵.

圖1 基于磁懸浮的建筑隔震工作過程Fig.1 Process of Electromagnetic Levitation Isolation for Building Structures

2 永磁體軌道-電磁鐵體系

2.1 永磁體軌道-電磁鐵體系基本理論

永磁體軌道-電磁鐵體系由永磁體軌道與高溫超導電磁鐵組成[30]，用于減小水平地震作用.在空間直角坐標系中，定義與永磁鐵軌道在水平垂直的方向為x向，沿永磁鐵軌道方向為y向，與永磁鐵軌道在豎向垂直的方向為z向，見圖2.

圖2 永磁體軌道-電磁鐵體系Fig.2 Permanent magnet-electromagnet system

地震作用下，電磁鐵在y向不受力，可自由運動.隔震目標在z向受到懸浮力Fz[31]、在x向受到恢復力Fx[32]，其計算表達式為

式中：S為超導線圈面積；L為超導線圈自感系數(shù)；Bi0為靜止狀態(tài)下的磁通密度，i可取x、y、z；Bi為地震作用下的磁通密度.

目前，永磁體軌道主要有對稱布置與Halbach布置兩種布置方式，如圖3所示.其中，對稱布置是較為常見的磁鐵布置方式，當懸浮氣隙（隔震目標與隔震裝置之間存在的氣隙）較小時，永磁體軌道-電磁鐵體系通過控制高溫超導電磁鐵的溫度條件來提供穩(wěn)定的懸浮力.而Halbach 布置一般用于電動機或發(fā)電機，該布置方式主要優(yōu)點是遠離永磁體的電磁鐵也能產生強而穩(wěn)定的磁場[31].

圖3 永磁體軌道-電磁鐵布置方式Fig.3 Two Types of Magnet Arrangement

2.2 永磁體軌道-電磁鐵隔震裝置

基于永磁體軌道-電磁鐵基本理論，文獻[30]提出了一種被動控制的3 層磁懸浮隔震裝置（如圖4所示），其中第2 層的電磁鐵和永磁體軌道固定在同一鐵板上，以確保該層的電磁鐵和永磁體軌道可以一起移動.該隔震裝置開始工作后，承載力完全由電磁場產生的懸浮力提供.當裝置的第1 層在水平地震作用下發(fā)生y向振動時，該振動不會傳到第1 層；當裝置第1 層在水平地震作用下發(fā)生x向振動時，第2 層的電磁鐵由于受到x向的恢復力，隨著第1 層永磁體軌道一起沿x向振動，因為第3 層永磁體軌道和第2 層振動方向一致，所以第2 層的振動也不會傳到第3 層.因此，該永磁體軌道-電磁鐵隔震裝置理論上可完全隔離水平地震作用.

圖4 3 層磁懸浮隔震裝置Fig.4 Schematic drawing of a three-layer electromagnetic levitation isolation device

為檢驗該永磁體軌道-電磁鐵體系隔震裝置的實際隔震效果，文獻[30, 32]對該隔震裝置的模型進行了多種位移加載試驗，結果表明：

（1）初始懸浮氣隙越大，裝置所提供的懸浮力越大，而初始懸浮氣隙越小，裝置穩(wěn)定性越好；

（2）荷載分布不均勻會導致隔震目標失衡，可減小等效點荷載與電磁鐵之間的距離，從而降低隔震目標失衡所產生的初始傾角；

（3）該永磁體軌道-電磁鐵隔震裝置有很好的水平隔震性能.

綜上所述，3 層磁懸浮隔震裝置在穩(wěn)定的磁場中可較好的隔離水平地震作用，但由于永磁體軌道間的相互作用，會導致部分振動傳遞至上層，從而降低了隔震裝置的水平隔震效果.因此，為有效解決永磁體軌道-電磁鐵隔震裝置在懸浮狀態(tài)下耗散地震能量不完全和振動傳遞的問題，可在隔震裝置的第1 層和第2 層之間設置一對不同磁極相對的永磁體，并在永磁體之間布置銅板，從而構成渦旋電流阻尼器來減小振動傳遞，提高阻尼效果[33-35]，如圖5所示.

圖5 運用渦旋電流阻尼器的隔震裝置Fig.5 Schematic drawing of electromagnetic levitation isolation device with an eddy current damper

3 銜鐵-電磁鐵體系

3.1 銜鐵-電磁鐵體系基本理論

銜鐵-電磁鐵體系由相互吸引的銜鐵與電磁鐵組成.根據(jù)電磁場理論，可通過調節(jié)電磁鐵中電流的大小來使電磁力與上部結構和銜鐵的總重力保持平衡[19].銜鐵-電磁鐵體系的理論分析模型見圖6，圖中：x0為靜止懸浮間隙；F（t）為時刻t下磁懸浮體受到的電磁力；x（t）為磁懸浮體時刻t的懸浮間隙；xg（t）為時刻t地面豎向位移；m為質量；F0為克服建筑自重的靜態(tài)懸浮力.

圖6 銜鐵-電磁鐵隔震系統(tǒng)的分析模型Fig.6 Analytical model of armature-electromagnet system

根據(jù)D’Alembert 原理，得到磁懸浮隔震系統(tǒng)的運動微分方程[36]，如式（3）.

通過求解力-電學關聯(lián)方程，采用線性系統(tǒng)的電流控制算法，得到豎向地震作用下重力與懸浮力始保持平衡時的電流控制方程為

式中：I（t）為主動控制電流；I0為靜止懸浮時的電流.

在對磁懸浮系統(tǒng)的受力進行理論分析的基礎上，采用力平衡非線性懸浮控制算法[37]，得到了懸浮力穩(wěn)定控制方程為

式中：Fcon為電磁鐵產生的懸浮力；Fp為根據(jù)懸浮間隙x和靜止懸浮間隙x0產生的偏差控制力；Fds為阻尼力；Fd為抗干擾電磁懸浮力.

3.2 銜鐵-電磁鐵豎向隔震裝置

基于上述銜鐵-電磁鐵體系基本理論，文獻[15]提出了一種由銜鐵、電磁鐵、纏繞在電磁鐵上的線圈和位移傳感器4 部分組成的磁懸浮豎向隔震裝置，如圖7所示，電磁鐵安裝在銜鐵上方，通過支架與建筑的基礎固結在一起，銜鐵固結在上部結構的框架柱底部，與基礎之間不連接，位移傳感器安裝在銜鐵與電磁鐵之間，用于測量懸浮間隙.與傳統(tǒng)豎向隔震支座不同的是，銜鐵-電磁鐵豎向隔震裝置的懸浮力由電磁鐵與銜鐵之間的電磁吸力產生，在隔震目標懸空過程中，懸浮力會因銜鐵與電磁鐵之間產生豎向相對位移而發(fā)生變化，不再與重力保持平衡，此時位移傳感器會將信息實時反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)測得的位移信號，采用式（3）計算出所需的控制電流，并經(jīng)過功率放大器的通入線圈來改變懸浮力，使其與重力重新保持平衡，從而實現(xiàn)對結構豎向隔震的主動控制.

為檢驗該銜鐵-電磁鐵隔震裝置對結構豎向隔震的可行性，并研究豎向和水平剛度隨線圈匝數(shù)、懸浮間隙及水平位移的變化規(guī)律，文獻[36, 38]對隔震裝置進行了豎向地震響應的數(shù)值分析，其結果顯示銜鐵-電磁鐵隔震裝置通過控制電流，可較好的隔離豎向地震作用.當?shù)卣鸩ㄒ阎獣r，上部結構在豎向基本不會發(fā)生振動；當?shù)卣鸩ㄎ粗獣r，該隔震裝置也能有效降低上部結構的豎向地震響應.目前銜鐵-電磁鐵隔震裝置的研究還處于起步階段，在利用該磁懸浮隔震裝置進行豎向隔震時，需要根據(jù)所測得的位移信號來調節(jié)電流，這不僅對位移傳感器的精度要求較高，而且其可靠性也還缺乏實踐檢驗.

圖7 磁懸浮豎向隔震裝置Fig.7 Schematic drawing of electromagnetic levitation vertical isolation device

4 磁懸浮隔震應用中有待解決的問題

目前，基于磁懸浮技術的隔震建筑還沒有.但據(jù)Business Insider 報道，2015年美國加州的Arx Pax Navigation 公司已根據(jù)磁懸浮隔震的基本原理，計劃修建基于磁懸浮技術的隔震建筑[39].該建筑通過在結構的基礎上布置智能系統(tǒng)，并與地震預警系統(tǒng)相結合.建筑一旦接收到地震預警，將自動啟動磁懸浮裝置，使上部結構與基礎脫離，懸浮在空中，從而隔斷地震作用，如圖8所示.

圖8 磁懸浮隔震建筑工作示意Fig.8 Schematic drawing of a three-tiered foundation system based on Arx Pax’s Patent

由上述研究可以看出，基于磁懸浮技術的建筑隔震從理論分析到試驗研究，再到裝置研發(fā)，均取得了一定的成果，為磁懸浮隔震技術在土木工程領域的應用提供了有力的理論基礎.但至今尚無磁懸浮隔震技術在建筑工程中的成功案例，還存在一些需要解決和研究的問題：

（1）永磁體軌道-電磁鐵隔震裝置.該裝置不能隔離豎向地震，甚至在豎向地震作用下，裝置可能發(fā)生碰撞，還需要和其他隔震裝置配合使用.從裝置本身來看，其第2 層永磁體軌道會承受較大的彎矩，對材料強度依賴較大，需要研究磁力與強度都較好的新材料.而目前高溫超導電磁鐵的使用條件較為苛刻，如何利用常導技術對該裝置予以改進還需要進一步研究.

（2）銜鐵-電磁鐵隔震裝置.該裝置需要根據(jù)所測得的位移信號來調節(jié)電流，這不僅對位移傳感器的精度要求較高，其有效性也還缺乏實踐檢驗.現(xiàn)有基于力平衡的非線性懸浮控制算法在對結構進行豎向隔震時，還存在許多問題.如何更有效進行結構豎向隔震，還需要結合大量地震動記錄，提出更為合理的控制算法.

（3）磁懸浮裝置的懸浮力問題.建筑能夠懸浮的關鍵在于懸浮力，目前常導磁懸浮的懸浮力已能滿足多層建筑隔震需求，而更高的懸浮力則需采用體積小、重量輕、效率高、同步電抗小的高溫超導體（high-temperature superconductor，HTS）材料.但HTS材料目前主要應用在大型軍艦、商船和磁浮列車等的推進系統(tǒng)，在建筑結構隔震方面的探索極少.如何減少磁懸浮裝置的體積和對電力的需求，并提高磁懸浮力的性能，還需進一步研究.

（4）懸浮過程中出現(xiàn)的風振問題.一般多層建筑由風荷載引起的振動遠小于地震引起的振動，風振的影響較小，基本可以忽略不計，而對于高層建筑或風荷載較大的地區(qū)，則不能忽略風振問題.對此，文獻[16]提出可采用巨型結構加消能減震技術對結構進行抗風和抗震設計的辦法來考慮風振的影響，由于子結構僅需將豎向荷載傳給主結構，故僅可對子結構進行磁懸浮隔震設計，但其受力機理仍有待進一步研究.

（5）地震結束后隔震建筑復位問題.傳統(tǒng)的建筑隔震技術采用的是橡膠支座與基礎、上部結構緊密相連的辦法，具有復位容易、施工方便等優(yōu)點[40].但對于磁懸浮隔震來說，建筑在懸浮力下會發(fā)生豎向和水平位移，如何保證地震后隔震建筑能準確有效復位也是有待研究的重要問題.這方面可參考航天領域中空間飛行器的對接技術.

（6）磁懸浮隔震層日常的維護問題.目前的隔震建筑在使用中，常常發(fā)現(xiàn)由于隔震構造和維護不滿足要求，導致建筑物在地震時隔震層不能完全發(fā)揮作用[41].因此，如何采取措施進行磁懸浮隔震裝置的日常管理和維護，以保證地震時，磁懸浮裝置能有效發(fā)揮作用，還需要制定一套適合于磁懸浮隔震建筑的維護與管理方法.

5 結 論

建筑隔震設計的關鍵技術之一是新型隔震裝置的研發(fā)，而基于磁懸浮技術的建筑隔震是一種全新的解決思路，能夠較好解決水平和豎向隔震的難題.本文總結了磁懸浮隔震技術的基本原理和工作過程，從基礎理論和裝置研發(fā)闡述了永磁體軌道-電磁鐵、銜鐵-電磁鐵兩種磁懸浮隔震體系，指出了工程應用中尚待解決的關鍵問題和今后的研究方向.總的來說，基于磁懸浮技術的隔震應用于土木工程的前景良好和發(fā)展?jié)摿^大，但對磁懸浮隔震裝置尚需進行更多的理論分析、試驗研究和工程實踐.