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當強風來襲阻尼器是如何讓摩天大樓穩如泰山

2021-07-30 13:05:11 來源：科技日報

今年第6號臺風“煙花”來勢洶洶。7月25日，“煙花”逼近上海，全市普降大雨，黃浦江兩岸更是狂風暴雨。此時最令人擔憂的往往是高樓大廈。然而，有著中國第一高樓之稱的上海中心大廈，卻穩如泰山。

記者了解到，這是位于大廈125層上堪稱“鎮樓神器”的阻尼器發揮出特殊作用，給這座摩天大樓進行了減振。

那么，由我國在國際上首創的擺式電渦流調諧質量阻尼器，到底有哪些科學原理？在地震、狂風環境下，又能夠起到怎樣的作用？

7月29日，記者采訪了相關專家。

超高層建筑的高層區域風速比地面大5—6級

“隨著社會經濟的發展、城市人口密度的增長，城市用地越來越稀缺，高層建筑和超高層建筑日益增多。”中國礦業大學力學與建筑工程學院教師丁北斗博士說，超高層建筑高層區域的風速比地面大5—6級，尤其風速較大時，建筑會產生晃動，使人有眩暈的感覺。

在江蘇建筑職業技術學院建筑建造學院院長方桐清博士看來，目前超高層建筑需要解決的技術問題很多，抗風是其中最重要的技術問題。

方桐清告訴記者，由于超高建筑高寬比大，建筑物對外力反應強烈，在風荷載作用下建筑物晃動幅度會較大，這不僅會增加結構疲勞降低建筑物的安全性，也會大大降低人們生活的舒適度甚至產生眩暈。

所以，以物理原理和科學辦法調諧慣性力、減少振動反應、降低結構疲勞，是超高層建筑抗震設計中的重要技術問題。

丁北斗也介紹，建筑物高度和高寬比增加以及新型輕質高強材料的使用，致使結構剛度和阻尼下降，在地震或者強風等激勵作用下的動力反應強烈，很難滿足建筑結構安全性、舒適性和使用性的要求。

建筑物在提高強度的同時，又會增加自重和剛度，同時還必定會減小延展性。再加上現代建筑除了需要滿足本身的使用功能外，還要與藝術感相結合。因此迫切需要尋求更安全、合理、經濟的抗震設計方法。

記者了解到，目前，安裝在上海中心大廈的擺式電渦流調諧質量阻尼器，當強風來襲時，裝置使用傳感器，既能夠探測風力大小和建筑物的搖晃程度，又可通過計算機經由彈簧、液壓裝置來控制配重物體向反方向運動，從而降低建筑物搖晃程度。

設計靈感不僅僅來源于“燭龍之眼”

在方桐清眼里，該大廈使用的擺式電渦流調諧質量阻尼器，其設計靈感不僅僅來源于我國優秀傳統文化中的“燭龍之眼”，關鍵在于我國科技工作者在國際上首先把電渦流和可變阻尼同時在被動式TMD（調諧質量阻尼器）中成功應用，從而創制出了摩天大樓應對臺風和地震時的“秘密武器”。這既是國際上超高層建筑被動控制技術的標志性成就，更是我國科技工作者創新創造、聰明智慧的結晶。

“該大廈的擺式電渦流調諧質量阻尼器，是電渦流技術和可變阻尼在國際上被動式阻尼器中的首次應用。”揚州大學建筑科學與工程學院姜治軍博士說，阻尼器由吊索、質量塊、阻尼系統、主體結構保護系統4部分組成，質量塊重達1000噸，它由12根長25米的鋼索吊住，是目前世界上最重的擺式阻尼器質量塊。

姜治軍介紹，該阻尼器質量塊和吊索構成一個巨型復擺，它與主體結構的共振，能消減大樓晃動。在質量塊下方，圓盤狀的磁場源與金屬板構成了電渦流阻尼系統。在風荷載或地震作用下，建筑物主體結構會產生晃動，進而帶動阻尼系統的金屬板一起產生振動，從而控制整個樓體的頻率，保持整個建筑的平衡。

“這是由于阻尼系統中磁場的存在，振動的金屬板內將產生電渦流，從而將動能轉化為電磁能，最后再轉化為熱能逐漸耗散，實現了摩天大樓良好的減振效果。”姜治軍說。

姜治軍還告訴記者，與傳統黏滯阻尼器相比，擺式電渦流調諧質量阻尼器的優勢明顯。其中，最為突出的是實現了阻尼可調，確保阻尼力滿足設計目標。其次，阻尼桿件尺度和重量均較小，運輸和安裝十分方便，有利于在超高層建筑中使用。

另外，由于阻尼系統不需要工作流體，可以避免由于阻尼器構件變形引起的密封圈漏液問題，有效降低了維護成本，延長了裝置的使用壽命。

“作為被動控制技術之一的調諧質量阻尼器由于占用建筑面積少，以及便于安裝、維修和更換、經濟實用等，今后將會在生產實踐中得到更多應用。”丁北斗說。

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