基于磁悬浮技术的建筑隔震研究进展

潘 毅 ，周 盟 ，郭 瑞 ，胡思远 ，林拥军

（1.西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学抗震工程技术四川省重点实验室，四川 成都610031）

基础隔震技术是通过在基础和上部结构之间设置隔震装置，延长结构的自振周期，避开地震动的主频范围，从而减少结构的地震反应.自20 世纪60年代以来，国内外学者对隔震结构进行了大量研究，取得了许多成果[1-3].但过去的理论研究和工程应用多针对水平隔震，水平隔震装置主要有：橡胶隔震体系、滑动摩擦隔震体系、摩擦摆隔震体系等；而对竖向隔震的研究有限，竖向隔震装置有：弹簧-阻尼器体系[4]、液压油缸-蓄能器体系[5]等.但地震动不仅仅包含水平地震动分量，还具有竖向地震动分量，特别是在近断层地震区[6-7].要同时实现对结构的水平和竖向隔震并非易事，要对结构进行竖向隔震，就需要隔震装置有较小的竖向刚度，但为了不使结构发生过大的竖向变形，又要求隔震装置有足够的竖向刚度，以支撑上部结构[8].此矛盾采用传统的隔震装置难以克服，也成为阻碍隔震结构进一步发展的技术瓶颈.同时，我国又是一个地震多发的国家，历次大地震都给我们留下了惨痛的记忆.因此，应该重视结构隔震技术的前沿研究领域，并应用到实际工程中去，以减轻地震破坏和人员伤亡.

磁悬浮（electromagnetic levitation）是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术[9]，它综合了材料学、电磁学、控制理论、电力电子技术、信号处理和计算机等多门学科.1842年，英国物理学家Earnshow 就提出了磁悬浮的概念.随着控制理论和技术、计算机科学和装备制造水平的不断提高，经过一百多年的发展，磁悬浮技术广泛应用在航天航空、机械制造、交通运输等领域，特别是在磁悬浮列车[10].1986年，西南交通大学就率先召开了首届磁浮技术与磁浮列车技术研究大会，成为国内较早启动该领域研究的高校.磁悬浮技术在列车上的应用，证明了其能够提供较大且稳定的悬浮力[11-12].现有常导磁悬浮技术在悬浮气隙为10 mm 时，可提供200 kPa的稳定悬浮力，基本可满足15 层及以下民用建筑的承载力要求[13]，为磁悬浮技术在隔震建筑上的应用提供了可能.

由于磁悬浮技术的独特优势，可以对上部物体进行无接触式悬浮控制，这使得同时实现水平和竖向隔震成为可能，并可根据地震作用的大小，对上部结构进行主动控制.日本学者山野健次发明了一个多层建筑磁悬浮隔震装置[14]，中国学者夏昌提出了适用于高层建筑的磁悬浮隔震装置[15].然而，国内外对磁悬浮技术在土木工程中应用的研究还很少.因此，要将磁悬浮技术真正应用到建筑隔震的实际工程，还面临诸多技术难点[16].

对此，本文首先介绍基于磁悬浮技术的建筑隔震基本原理和工作过程，然后阐述永磁体轨道-电磁铁、衔铁-电磁铁这两种磁悬浮隔震体系的理论研究进展和隔震装置研发情况，最后对磁悬浮技术在建筑隔震应用中的技术难点和问题进行了分析，并对建筑结构磁悬浮隔震技术的发展提出了建议.

1 磁悬浮隔震的基本原理

基于磁悬浮技术的建筑隔震是通过在房屋的基础与上部结构之间设置磁悬浮隔震装置，利用悬浮力将基础与上部结构断开，形成基础与上部结构之间的无物理接触，从而避免或减小地震对上部结构的破坏.早在1934年，KEMPER H 就采用电磁力对物体进行悬浮控制，并申请了相关专利[17].电磁力的大小是通过算法来进行控制，因此控制算法是磁悬浮技术的关键问题之一[9,18]，目前主要有：PID 控制算法、模糊控制算法、鲁棒控制算法、神经网络控制算法、滑模变结构控制算法、线性二次型最优控制算法、自适应控制算法等[19-20]，且在不同领域得到了应用[21-22]，例如电磁轴承、磁悬浮列车、电磁悬浮工作台、电磁悬浮熔炉、磁悬浮电机、磁悬浮飞轮、磁悬浮电磁弹射系统等[23-28].

在建筑工程领域，基于磁悬浮技术的建筑隔震是地震预警技术[29]、磁悬浮控制技术和建筑抗震技术的综合应用.理想的磁悬浮隔震工作过程可分为4 个阶段（见图1）.

第1 阶段为地震预警阶段.当地震发生时，地震预警系统利用地震P 波的波速快于S 波和面波，且电磁波的波速远大于地震波的原理，对磁悬浮隔震装置发出预警信号；

第2 阶段为隔震建筑提升阶段.磁悬浮隔震装置在接收到地震预警信号后，电磁铁随即接通电流，提升隔震建筑，断开与基础的连接；

第3 阶段为隔震建筑地震响应阶段.当隔震建筑提升到设计高度后，地震作用传递到建筑基础上，基础与建筑的相对位移发生变化，悬浮力大小随位移实时变化，利用相应的控制算法来调节电流大小，使悬浮力与上部结构自重保持平衡，减小水平与竖向地震作用；

第4 阶段为隔震建筑震后下落阶段.当地震结束后，采用相应的控制算法将上部结构和基础校准后缓慢下落，并与基础再次进行连接，最后断开电流，隔震建筑恢复如初.

对于如何将磁悬浮技术应用于隔震建筑，实现建筑结构的水平与竖向隔震，目前在研究的磁悬浮隔震体系主要有永磁体轨道-电磁铁、衔铁-电磁铁.

图1 基于磁悬浮的建筑隔震工作过程Fig.1 Process of Electromagnetic Levitation Isolation for Building Structures

2 永磁体轨道-电磁铁体系

2.1 永磁体轨道-电磁铁体系基本理论

永磁体轨道-电磁铁体系由永磁体轨道与高温超导电磁铁组成[30]，用于减小水平地震作用.在空间直角坐标系中，定义与永磁铁轨道在水平垂直的方向为x向，沿永磁铁轨道方向为y向，与永磁铁轨道在竖向垂直的方向为z向，见图2.

图2 永磁体轨道-电磁铁体系Fig.2 Permanent magnet-electromagnet system

地震作用下，电磁铁在y向不受力，可自由运动.隔震目标在z向受到悬浮力Fz[31]、在x向受到恢复力Fx[32]，其计算表达式为

式中：S为超导线圈面积；L为超导线圈自感系数；Bi0为静止状态下的磁通密度，i可取x、y、z；Bi为地震作用下的磁通密度.

目前，永磁体轨道主要有对称布置与Halbach布置两种布置方式，如图3所示.其中，对称布置是较为常见的磁铁布置方式，当悬浮气隙（隔震目标与隔震装置之间存在的气隙）较小时，永磁体轨道-电磁铁体系通过控制高温超导电磁铁的温度条件来提供稳定的悬浮力.而Halbach 布置一般用于电动机或发电机，该布置方式主要优点是远离永磁体的电磁铁也能产生强而稳定的磁场[31].

图3 永磁体轨道-电磁铁布置方式Fig.3 Two Types of Magnet Arrangement

2.2 永磁体轨道-电磁铁隔震装置

基于永磁体轨道-电磁铁基本理论，文献[30]提出了一种被动控制的3 层磁悬浮隔震装置（如图4所示），其中第2 层的电磁铁和永磁体轨道固定在同一铁板上，以确保该层的电磁铁和永磁体轨道可以一起移动.该隔震装置开始工作后，承载力完全由电磁场产生的悬浮力提供.当装置的第1 层在水平地震作用下发生y向振动时，该振动不会传到第1 层；当装置第1 层在水平地震作用下发生x向振动时，第2 层的电磁铁由于受到x向的恢复力，随着第1 层永磁体轨道一起沿x向振动，因为第3 层永磁体轨道和第2 层振动方向一致，所以第2 层的振动也不会传到第3 层.因此，该永磁体轨道-电磁铁隔震装置理论上可完全隔离水平地震作用.

图4 3 层磁悬浮隔震装置Fig.4 Schematic drawing of a three-layer electromagnetic levitation isolation device

为检验该永磁体轨道-电磁铁体系隔震装置的实际隔震效果，文献[30, 32]对该隔震装置的模型进行了多种位移加载试验，结果表明：

（1）初始悬浮气隙越大，装置所提供的悬浮力越大，而初始悬浮气隙越小，装置稳定性越好；

（2）荷载分布不均匀会导致隔震目标失衡，可减小等效点荷载与电磁铁之间的距离，从而降低隔震目标失衡所产生的初始倾角；

（3）该永磁体轨道-电磁铁隔震装置有很好的水平隔震性能.

综上所述，3 层磁悬浮隔震装置在稳定的磁场中可较好的隔离水平地震作用，但由于永磁体轨道间的相互作用，会导致部分振动传递至上层，从而降低了隔震装置的水平隔震效果.因此，为有效解决永磁体轨道-电磁铁隔震装置在悬浮状态下耗散地震能量不完全和振动传递的问题，可在隔震装置的第1 层和第2 层之间设置一对不同磁极相对的永磁体，并在永磁体之间布置铜板，从而构成涡旋电流阻尼器来减小振动传递，提高阻尼效果[33-35]，如图5所示.

图5 运用涡旋电流阻尼器的隔震装置Fig.5 Schematic drawing of electromagnetic levitation isolation device with an eddy current damper

3 衔铁-电磁铁体系

3.1 衔铁-电磁铁体系基本理论

衔铁-电磁铁体系由相互吸引的衔铁与电磁铁组成.根据电磁场理论，可通过调节电磁铁中电流的大小来使电磁力与上部结构和衔铁的总重力保持平衡[19].衔铁-电磁铁体系的理论分析模型见图6，图中：x0为静止悬浮间隙；F（t）为时刻t下磁悬浮体受到的电磁力；x（t）为磁悬浮体时刻t的悬浮间隙；xg（t）为时刻t地面竖向位移；m为质量；F0为克服建筑自重的静态悬浮力.

图6 衔铁-电磁铁隔震系统的分析模型Fig.6 Analytical model of armature-electromagnet system

根据D’Alembert 原理，得到磁悬浮隔震系统的运动微分方程[36]，如式（3）.

通过求解力-电学关联方程，采用线性系统的电流控制算法，得到竖向地震作用下重力与悬浮力始保持平衡时的电流控制方程为

式中：I（t）为主动控制电流；I0为静止悬浮时的电流.

在对磁悬浮系统的受力进行理论分析的基础上，采用力平衡非线性悬浮控制算法[37]，得到了悬浮力稳定控制方程为

式中：Fcon为电磁铁产生的悬浮力；Fp为根据悬浮间隙x和静止悬浮间隙x0产生的偏差控制力；Fds为阻尼力；Fd为抗干扰电磁悬浮力.

3.2 衔铁-电磁铁竖向隔震装置

基于上述衔铁-电磁铁体系基本理论，文献[15]提出了一种由衔铁、电磁铁、缠绕在电磁铁上的线圈和位移传感器4 部分组成的磁悬浮竖向隔震装置，如图7所示，电磁铁安装在衔铁上方，通过支架与建筑的基础固结在一起，衔铁固结在上部结构的框架柱底部，与基础之间不连接，位移传感器安装在衔铁与电磁铁之间，用于测量悬浮间隙.与传统竖向隔震支座不同的是，衔铁-电磁铁竖向隔震装置的悬浮力由电磁铁与衔铁之间的电磁吸力产生，在隔震目标悬空过程中，悬浮力会因衔铁与电磁铁之间产生竖向相对位移而发生变化，不再与重力保持平衡，此时位移传感器会将信息实时反馈给控制系统，控制系统根据测得的位移信号，采用式（3）计算出所需的控制电流，并经过功率放大器的通入线圈来改变悬浮力，使其与重力重新保持平衡，从而实现对结构竖向隔震的主动控制.

为检验该衔铁-电磁铁隔震装置对结构竖向隔震的可行性，并研究竖向和水平刚度随线圈匝数、悬浮间隙及水平位移的变化规律，文献[36, 38]对隔震装置进行了竖向地震响应的数值分析，其结果显示衔铁-电磁铁隔震装置通过控制电流，可较好的隔离竖向地震作用.当地震波已知时，上部结构在竖向基本不会发生振动；当地震波未知时，该隔震装置也能有效降低上部结构的竖向地震响应.目前衔铁-电磁铁隔震装置的研究还处于起步阶段，在利用该磁悬浮隔震装置进行竖向隔震时，需要根据所测得的位移信号来调节电流，这不仅对位移传感器的精度要求较高，而且其可靠性也还缺乏实践检验.

图7 磁悬浮竖向隔震装置Fig.7 Schematic drawing of electromagnetic levitation vertical isolation device

4 磁悬浮隔震应用中有待解决的问题

目前，基于磁悬浮技术的隔震建筑还没有.但据Business Insider 报道，2015年美国加州的Arx Pax Navigation 公司已根据磁悬浮隔震的基本原理，计划修建基于磁悬浮技术的隔震建筑[39].该建筑通过在结构的基础上布置智能系统，并与地震预警系统相结合.建筑一旦接收到地震预警，将自动启动磁悬浮装置，使上部结构与基础脱离，悬浮在空中，从而隔断地震作用，如图8所示.

图8 磁悬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，基于磁悬浮技术的建筑隔震从理论分析到试验研究，再到装置研发，均取得了一定的成果，为磁悬浮隔震技术在土木工程领域的应用提供了有力的理论基础.但至今尚无磁悬浮隔震技术在建筑工程中的成功案例，还存在一些需要解决和研究的问题：

（1）永磁体轨道-电磁铁隔震装置.该装置不能隔离竖向地震，甚至在竖向地震作用下，装置可能发生碰撞，还需要和其他隔震装置配合使用.从装置本身来看，其第2 层永磁体轨道会承受较大的弯矩，对材料强度依赖较大，需要研究磁力与强度都较好的新材料.而目前高温超导电磁铁的使用条件较为苛刻，如何利用常导技术对该装置予以改进还需要进一步研究.

（2）衔铁-电磁铁隔震装置.该装置需要根据所测得的位移信号来调节电流，这不仅对位移传感器的精度要求较高，其有效性也还缺乏实践检验.现有基于力平衡的非线性悬浮控制算法在对结构进行竖向隔震时，还存在许多问题.如何更有效进行结构竖向隔震，还需要结合大量地震动记录，提出更为合理的控制算法.

（3）磁悬浮装置的悬浮力问题.建筑能够悬浮的关键在于悬浮力，目前常导磁悬浮的悬浮力已能满足多层建筑隔震需求，而更高的悬浮力则需采用体积小、重量轻、效率高、同步电抗小的高温超导体（high-temperature superconductor，HTS）材料.但HTS材料目前主要应用在大型军舰、商船和磁浮列车等的推进系统，在建筑结构隔震方面的探索极少.如何减少磁悬浮装置的体积和对电力的需求，并提高磁悬浮力的性能，还需进一步研究.

（4）悬浮过程中出现的风振问题.一般多层建筑由风荷载引起的振动远小于地震引起的振动，风振的影响较小，基本可以忽略不计，而对于高层建筑或风荷载较大的地区，则不能忽略风振问题.对此，文献[16]提出可采用巨型结构加消能减震技术对结构进行抗风和抗震设计的办法来考虑风振的影响，由于子结构仅需将竖向荷载传给主结构，故仅可对子结构进行磁悬浮隔震设计，但其受力机理仍有待进一步研究.

（5）地震结束后隔震建筑复位问题.传统的建筑隔震技术采用的是橡胶支座与基础、上部结构紧密相连的办法，具有复位容易、施工方便等优点[40].但对于磁悬浮隔震来说，建筑在悬浮力下会发生竖向和水平位移，如何保证地震后隔震建筑能准确有效复位也是有待研究的重要问题.这方面可参考航天领域中空间飞行器的对接技术.

（6）磁悬浮隔震层日常的维护问题.目前的隔震建筑在使用中，常常发现由于隔震构造和维护不满足要求，导致建筑物在地震时隔震层不能完全发挥作用[41].因此，如何采取措施进行磁悬浮隔震装置的日常管理和维护，以保证地震时，磁悬浮装置能有效发挥作用，还需要制定一套适合于磁悬浮隔震建筑的维护与管理方法.

5 结 论

建筑隔震设计的关键技术之一是新型隔震装置的研发，而基于磁悬浮技术的建筑隔震是一种全新的解决思路，能够较好解决水平和竖向隔震的难题.本文总结了磁悬浮隔震技术的基本原理和工作过程，从基础理论和装置研发阐述了永磁体轨道-电磁铁、衔铁-电磁铁两种磁悬浮隔震体系，指出了工程应用中尚待解决的关键问题和今后的研究方向.总的来说，基于磁悬浮技术的隔震应用于土木工程的前景良好和发展潜力较大，但对磁悬浮隔震装置尚需进行更多的理论分析、试验研究和工程实践.