李婌 科普中国 2024年09月22日 15:31
“摩羯”前脚刚在海南上房揭瓦，“贝碧嘉”又在长三角翻箱倒柜。
今年第 13 号台风“贝碧嘉”的中心已于 16 日 7 点 30 分前后在上海浦东临港新城登陆，成为 1949 年以来登陆上海的最强台风。安装在上海中心大厦 125 层的千吨“慧眼”阻尼器开始晃动，摆幅约超过 1 米。
在之前的台风肆虐期间，还有人拍到大楼在风中摇晃的视频，令不少网友大呼“害怕”！甚至有人认为这个大楼的地基有问题，是“豆腐渣工程”，还有的网友根本不相信大楼会被风吹得摇晃，直言是“P的”！
台风来袭的时候，大楼真的会晃动吗？真的没事吗？重达千吨的阻尼器又是干什么用的？
摩天大楼:
不只是台风地震期间，平常也晃
摩天大楼在遭遇台风和地震的时候，受到变化的风荷载（即风对结构施加的力）、地震动作用，会产生往复的动力变形，也就是大家感受到的“摇晃”。结构物的振动是无法避免的，是结构在动力作用下的必然反应。
实际上，在平时，大楼也会有振动，只是振动的幅度很小，人们很难注意到。在台风、地震这样的强烈荷载作用下，大楼的振动幅度也就相应增加了。此外，摩天大楼也需要通过“摇晃”来消耗掉台风和地震输入的大量能量。
可见，光凭台风天里大楼摇晃就判断建筑物是“豆腐渣工程”是没有科学依据的。
大楼动工前，都要由工程师进行结构设计。工程师们会根据大楼所处的地理位置，预估大楼可能承受的地震和台风作用，并进行相应的设计，尽量减少大楼在这些外荷载（即所有外部环境对结构作用力的统称）作用下的结构响应。
在沿海强风地区，风荷载往往是结构设计中的控制性因素，所以工程师们往往会采用抗风设计。抗风设计必须满足结构的强度、刚度、舒适度、抗疲劳破坏等设计要求，确保结构在风荷载作用下不会发生倒塌、开裂，也不会发生过大的位移，以保证结构的安全。
你可能会奇怪，为什么台风天身处大楼内的自己感受不到摇晃呢？
其实，影响人体舒适度的主要因素有振动频率、振动加速度和振动持续时间。振动持续时间主要取决于风力作用时间，结构的振动频率又很难调整，所以结构设计中一般采用限制结构振动加速度的方法来让人感觉更舒适。
当一栋楼的振动加速度达到 0.15 m /s^2 时，身处其中的人们就会感受到建筑物的摇晃。
阻尼器:风不动，我不动
风往南动，我往北动
如果仅仅依靠结构物的变形来抵抗台风和地震的作用，在建设过程中，需要投入大量的成本以提高建筑物本身的性能，这样必然会导致材料的浪费。
这时候，一种可以吸收或者消耗台风和地震带来的能量并减轻结构振动的装置——阻尼器就登场了。
阻尼器一般可分为两种，一种是耗能阻尼器，一种是调谐阻尼器。
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耗能阻尼器
从能量的观点看，台风或者地震输入到建筑物中的能量是一定的，因此，耗能装置耗散的能量越多，则结构本身需要耗散的能量就越小，耗能阻尼器就是利用这样的原理减轻建筑物的振动。
位于马来西亚吉隆坡的国油双峰塔采用的就是耗能阻尼器，它利用两栋大楼间的空桥来平衡大楼间的摇晃，耗能阻尼器设置在空桥和大楼的连接点。在地震或台风的作用下率先进入非弹性状态，大量消耗地震能量，从而减轻结构的振动。
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调谐阻尼器
调谐阻尼器则是通过增加一个子结构，把建筑的能量向子结构转移。这些子结构往往都重达数百吨，当台风或地震将大楼晃到一边时，阻尼器也会发生运动，其惯性运动方向和大楼运动方向正好相反。
根据子结构的不同，分为调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，简称TMD）和调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，简称TLD）。
由于调谐质量阻尼器具备对高层建筑结构控振效果好、对建筑功能的影响较小、成本低、占地少且便于安装、维修和更换等优点，在实际的高层建筑结构风振控制工程中得到了广泛的应用。
一、上海中心大厦
上海中心大厦的这颗重达千吨的“慧眼”就是电涡流调谐质量阻尼器，是我国的一项创新技术。它是目前世界上最重的阻尼器，重量约占大厦的 0.118%，由 12 根长达 25 米的钢索吊在大厦内部，单边摆幅极限为 2 米。当强风来袭时，这个巨型复摆会摆向风吹来的方向，凭借自身的摇摆来减弱大厦的晃动幅度。
图｜上海中心大厦
二、深圳平安金融中心
在“山竹”台风中，深圳平安金融中心作为深圳第一高楼，能够在强烈台风的作用下保持完好无损，主要也在于其内部安装的两个调谐质量阻尼器通过惯性运动吸收了大量能量，这两个阻尼器分别重达 500 吨，被放置在大楼的 114 层。据报道，其阻尼球在狂风中的摆动幅度达到 2 米。
三、台北 101 大厦
2004 年建成的台北 101 大厦，在 87 层和 91 层之间安装了一个重达 662 吨的风阻尼球。八根重量高达 20 吨的钢缆环绕球的底部，将阻尼球和主体结构相连，在阻尼球的下方，另设置有八根水平向和八根斜向黏弹性阻尼器。
风阻尼球是大楼抗风防震的主要结构之一。在 2013 年的“苏力”台风中，阻尼球产生惯性运动，摆动幅度达到 70 厘米，阻尼器大量吸收了台风所带来的振动能量，极大地减少了台北 101 大厦在强台风中的摆动量。
重达 662 吨的阻尼球
在狂风和地震面前，阻尼器之于摩天大楼好比定海神针般的存在，它保护大楼的安全，也给人们吃下颗定心丸。
参考文献
[1] 张丽芳，陈娟等著，土木工程结构抗风设计.北京：科学出版社，2017
[2] 李国强，陈素文等著，建筑结构抗震设计.北京：建筑工业出版社，2014
[3] Anil K. Chopra著，谢礼立、吕大刚等译，结构动力学（第四版）.北京：高等教育出版社，2016
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来源丨果壳（id:Guokr42）
作者丨李婌
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审校丨徐来 林林
