高楼阻尼器的动画演示原理，运河东路经贸中心楼顶游泳池

355.8米高的深圳赛格广场大厦发生晃动，引发关注。相关通知明确：由于该建筑没有安装阻尼器，专家建议下一步可以考虑安装阻尼器，以提高抗风、抗震和舒适度。

这个阻尼器到底是什么？它在建筑中是如何发挥作用的呢？同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系卢征教授做了详细的讲解。

陆征教授

有氧运动会导致高楼晃动

谈论阻尼器，让我们从摩天大楼开始。随着技术的进步，越来越多的摩天大楼拔地而起，但很少有人知道“防抖”是设计和施工时的重要考虑因素。

造成这种“晃动”的主要原因有三个。卢教授首先介绍它为风。观测表明，300米高度的风力为6级、7级，建筑物所受的力与其高度密切相关。正常风速下摩天大楼的“震颤”不能超过200毫米/秒平方。与长期的风力因素相比，结构工程师还必须考虑地震等突发极端情况。

请注意，也存在无法避免的意外共振。共振是指物理系统在某些频率下比在其他频率下振动幅度更大的情况。这些特定频率称为共振频率。 19世纪初，一群士兵在指挥官的指挥下，迈着庄严、整齐划一的步伐穿过法国昂热的一座桥。当我们快到桥中间时，桥突然剧烈摇晃，然后断裂、倒塌。调查结果发现，这场悲剧的罪魁祸首就是共鸣。这是因为，当大量士兵一起行走时，会产生与桥梁的固有频率完全相等的频率，桥梁的振动不断增大，直至其振幅达到最大值，超过了桥梁的极限强度。桥，桥断了。类似事件在俄罗斯和美国也发生过。考虑到这一点，许多国家的军队随后制定了一条规则，即大群过桥时必须缓慢行走，而不是一次性全部行走。

韩国发生了一起高层建筑晃动的事故，但随后的调查显示，晃动的原因其实是很多人在大楼的健身房里做健身操。

在建筑设计相关标准中，对建筑的抗震、抗风等技术指标有着非常严格的要求。为了保证稳定性、安全性和舒适性，工程设计人员准备了许多技术措施和多种技术组合。例如，您可以增加建筑物结构组件的刚度和横截面，使它们看起来像一个掩体。阻尼器的设计和安装也是众多选择之一。

阻尼器，可能在抽屉里

抑制自由振动的各种摩擦和其他干扰效应称为阻尼。阻尼器是放置在结构系统中的“特殊”组件，可提供运动阻力并减少运动能量。

阻尼器分为主动阻尼器、半主动阻尼器、被动阻尼器。前两种需要使用外部能源，具有更复杂的控制系统，并且可能在地震等极端情况下因“停电”而发生故障。因此，被动控制装置目前在摩天大楼中应用最为普遍。

上海中心和台北101大厦安装了多种类型的被动阻尼器，包括位移型、速度型和调谐质量阻尼器。

低碳钢（金属）阻尼器等位移阻尼器一般由低碳钢制成，低碳钢本身的强度保证了受力变形后有一个“斥力”，当变形超过“屈服点”时，发生永久变形并进入塑性阶段。其原理类似于在建筑物易变形的关键部位包裹一层“海绵”。

低碳钢（金属）阻尼器示意图

速度阻尼器，如粘性阻尼器，是根据流体运动，特别是通过节流孔时产生节流阻力的原理制成的，是一种与活塞运动速度有关的阻尼器。一般规则是在建筑物、桥梁等处安装安全气囊。当地震发生时，阻尼器最大限度地吸收和消耗施加在建筑结构上的地震冲击能量，大大减少地震对建筑结构的冲击和破坏。

粘滞阻尼器工作原理图

同样的原理也适用于我们日常使用的阻尼滑轨抽屉。关闭抽屉时，无论轻按还是用力碰触，动作均匀、缓慢、安静，抽屉盒与固定框架不会碰撞，不会损坏里面的物品。

调谐质量阻尼器为建筑物增添了“钟摆”

第三种是调谐质量阻尼器（TMD），许多摩天大楼都使用这种阻尼器。其一些著名的应用包括上海中心和台北101。该系统主要由固体质量块、弹簧和阻尼元件组成，它们是附着在主体结构上的减振子结构。附加子结构本身具有质量、刚度和阻尼，因此可以将子结构的固有频率调整为尽可能接近主结构的基频或激励频率。振动在下部结构中产生与主体结构振动方向相反的惯性力，作用在主体结构上，阻尼和控制主体结构的反力。

调谐质量阻尼器(TMD) 的工作原理

调谐质量阻尼器(TMD) 操作图

用更简单的科学术语来说，这样一个专门的部分就像在摩天大楼顶部放置一个钟摆，其重量至少占建筑物总重量的1%。结构设计专业人员调整摆锤的质量、“系索”长度、位置等，以匹配建筑结构的基频。从而将风振等外力引起的结构晃动能量快速传递到阻尼器，保证主体结构的稳定性。

高632米的上海中心大厦配备了重达1000吨的涡流控制质量阻尼器。屋顶是豪华酒店，为了提高使用者的舒适度，需要确保建筑物在强风时不会过度振动。上海中心首次将涡流技术引入摩天大楼的TMD减振系统中，有效提高了工作效率和稳定性。

专门研究调谐质量阻尼器性能优化的陆征教授表示，如果调谐质量阻尼器安装正确，通常不会出现故障。设计过程还考虑了极端情况下的安全问题。例如，上海中心的“钟摆”周围安装了限位环，即使在阻尼器启动时“钟摆”大幅摆动，也可以防止对外围设备产生负面影响。

除了这三者之外，拥有一个精心设计的屋顶泳池也可以起到抑制作用。卢教授介绍，这种类型称为调谐液体阻尼器，通常是一个矩形或圆柱形水箱，利用水溅时产生的波浪力来耗散能量。固有频率由液体的高度和罐的长度决定，阻尼力由液体的类型和罐中的隔板决定。这种液体阻尼器的优点是结构非常简单、多功能、布置灵活。但单位重量的能耗效率较低。据说在中国的高层建筑中也已安装。

栏目编辑：徐瑞哲文字编辑：彭德谦题图来源：土冲图片编辑：苏伟

来源：作者：彭德谦