上海環球金融中心風阻尼器吊裝示意圖

　　01 全球超高層辦公、酒店、公寓建築裡很多都安裝有風阻尼器。

　　風阻尼器是超高層建築應對風緻振動，在強風時降低加速度響應、降低大樓晃動幅度，提高内部人員舒适度的一種裝置。風阻尼器也可以降低強震對建築物，尤其是建築物頂部的沖擊。

　　風阻尼器就像一個巨大的鐘擺，本質是一套阻尼系統（消能減振裝置）。

　　工作原理很簡單，就像身處搖晃小船上的人，要将身體朝小船晃動的反方向靠，來取得平衡一樣。比如強風從北面刮來，風阻尼器就往北擺，産生一種與風向相反的力量，從而化解建築物的搖晃程度，抵消強風對建築物的影響。

　　“鎮樓寶器”不是浪得虛名。

　　風阻尼器的類型有被動式、半主動式和主動式，被動式是當前各國摩天大樓最常用的阻尼器類型，原因很直接，最便宜。根據已有案例粗略估算，被動式需要500萬美元，半主動式需要500～1500萬美元，主動式需要1000～5000萬美元。

　　被動式風阻尼器裡，尤以調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）最為常見。

　　很好記的TMD，高樓都喜歡。

　　台北101大廈（508米）、紐約特朗普大廈（282.5米）、芝加哥約翰-漢考克大樓（457米）、上海環球金融中心（492米）和上海中心大廈（632米）是其中的典型代表，挑最高的三座來說說。

　　在中國第一座安裝風阻尼器的超高層建築是台北101大廈，大樓88～92樓層裡挂置一個重達662噸的巨大鋼球。

　　上海環球金融中心在90層懸吊了兩個各重約150噸的質量塊，是中國大陸地區首個使用風阻尼器的超高層建築。

　　上海中心大廈則是在125層懸挂了重量達1000噸的電磁原理阻尼器，是全球第一座安裝電磁原理阻尼器的大廈。

　　台北的101大廈“黃金球”風阻尼器

　　02 一般來說，在正常的風壓下，如果距地面高度10米處風速為5米/秒，那麼在90米的高空，風速可達到15米/秒。若高度達300-400米，風力會更加強大。

　　超高層建築遭遇6級以上強風時（風速10.8～13.8米/秒），裡面的人會有輕微搖晃感，在風速達到30米/秒以上時，高樓會産生幅度較大的晃動。

　　以上海中心大廈為例。大廈地處小陸家嘴高樓核心區，發生高空10級以上大風（風速24.5～28.4米/秒）十分平常，另外，上海地區受台風影響因素也較大。

　　上海中心大廈在風洞試驗裡的對比數據顯示，其氣動外形設計可以削減整體風荷載約24％，滿足結構設計的安全性。如果不設置風阻尼器，其1年回歸期風緻振動的标準與台北101大樓設置阻尼器的風緻振動控制标準相似。

　　上海中心大廈的氣動外形設計

　　但是，超高層建築在設計上除了以安全為首要考量，還必須考慮居住的舒适性，在高樓層裡生活工作的人，整天心驚膽顫地晃來晃去，就算大廈保證安全又怎麼樣？

　　總體來說，在高樓上安裝風阻尼器，有以下五點意義：

　　（1）降低大樓搖擺幅度，不僅提高了結構的耐久性，也有利于幾何懸挂式外幕牆的變形控制。

　　（2）明顯減小了大樓在常遇強風荷載作用下風緻振動的加速度，其舒适性甚至可超過世界最高H-10标準（大樓内最多僅有10％的人在遇到1年回歸期強風時會感受到建築物的振動)。

　　（3）可降低常遇小震對建築物造成的損害程度。比如上海中心大廈及其周邊地區受到小震影響的概率超過95％，近年至少年均一次，設置風阻尼器十分必要。

　　（4）超高層建築中，電梯高速長距離運行，大樓晃動會對其産生不利影響。若強風引起的大樓振動超過電梯供應商設置的安全閥值，高速長程電梯将停止運行。設置阻尼器，根據理論測算，10年回歸期風荷載引起的振動，高速長程電梯可照常運行，極大提升大樓的功能品質。

　　（5）可以與大樓觀光相結合，提供獨特的遊曆體驗。比如101大廈的金色TMD和上海中心大廈的TMD都是外露式設計，可供遊客參觀。

　　101大廈的金色TMD是外露式設計

　　03 TMD風阻尼器一般由幾百上千噸的質量塊、吊索、常規阻尼器和限位阻尼器組成。

　　當強風來襲時，裝置裡的傳感器探測風力大小和建築物的搖晃程度，并通過計算機運算後，經由彈簧、液壓裝置來控制質量塊向反方向運動，從而降低建築物的搖晃程度。

　　安裝了TMD，将能使強風時加在建築物上的加速度（重力）降低40%左右。

　　TMD質量塊采用鋼、鉛、混凝土制作，系統慣性質量采用多級擺、倒擺、液壓支撐系統、疊層橡膠墊等懸挂或支撐等。傳統的TMD阻尼元件可采用油阻尼器、黏彈性阻尼器、黏滞阻尼器等。

　　在許多情況下，TMD設計中最主要的難點是可利用空間的限制，為了解決這一難點，一般都是将整個TMD安置在大樓的機械層内。

　　台北101大廈(2003年竣工)設置有當時世界最大的風阻尼器，單擺型。其外觀為金色球體，直徑5.5米，重662噸。風阻尼器從大廈的92層吊下來，四面用巨大的塗壓式活塞緊緊系在大樓結構上，活塞同時讓風阻尼器不會過度擺蕩。

　　2015年8月8日，台風“蘇迪羅”不僅使台北101大廈以及觀景台罕見暫停營業一天，還使“黃金球”擺動幅度達100厘米之大，創史上最大記錄。

　　上海環球金融中心(2008年竣工)風阻尼器的主要部分是由鋼索懸吊的兩個各重150噸的質量塊，長寬各有9米，懸挂在大樓90層。由于驅動裝置設計為可以沿縱橫兩方向運動，因此風阻尼器可實現360度方向的控制。

　　上海環球金融中心風阻尼器

　　上海中心大廈(2016年竣工)位于125層的阻尼器質量塊重達1000噸，由12根長25米的鋼索吊住，通過與主體結構的共振消減大樓晃動。采用電渦流技術的阻尼系統能減少質量塊的振幅，消耗風振能量。

　　該阻尼器的極限擺幅達到2米，迄今為止，阻尼器擺動幅度還沒有到達過極限狀态。

　　今年8月超強台風“利奇馬”路過上海，風速高達40米/秒，上海中心大廈的阻尼器最大擺幅是70厘米，距離極限擺幅還有巨大餘地，完全經受住超級台風的考驗。

　　上海中心大廈建設發展有限公司總工程師葛清說：

　　“和以往阻尼器利用機械原理不同，上海中心首創了世界上第一個引入電磁原理的阻尼器，由上海材料所自主研發，填補了世界空白。 ”

　　上海中心大廈風阻尼器上的裝飾品：高30米的”上海慧眼“

　　另外，質量塊也可以利用冷卻塔、消防水箱或頂部獨立結構作為慣性質量，被稱為調諧液體柱型阻尼器(TLCD)。

　　比如廣州電視塔（小蠻腰）的阻尼器就是用水做的，在小蠻腰的109到110層，有以消防水箱作為阻尼器的減振控制系統。TLCD結構簡單，維護要求低，但防水要求高，需較大的安置空間以達到需要的質量比，摩天大樓不适用。

　　”小蠻腰“的風阻尼器

　　04 問題一：根據風阻尼器的工作原理，它們的安放位置都在大樓頂部。動辄幾百上千噸的質量塊，如何吊裝在五六百米的高空？

　　實際操作比想象中簡單，化整為零。把質量塊分成小塊，使用塔吊吊裝，吊一塊上來，拼接組裝一塊。

　　問題二：質量塊如此的重，吊索的要求得有多高？

　　以上海中心大廈為例，1000噸阻尼器由4組12跟鋼索懸吊，吊索采用了高冗餘度的設計标準，破斷力為6280kN。

　　破斷力就是要把鋼絲繩扯斷的最小拉力，單位為kN。

　　在正常狀态下每根吊索的作用力為833kN，僅為破斷力的13.2％；如果僅有兩組吊索來承擔載荷，每根吊索的作用力為1962kN，僅為破斷力的31.24％。極限狀态下，每根吊索的作用力為2233kN，僅為破斷力的35.5％，此時，假設一組3根吊索中僅有兩根工作，每根吊索的作用力為3350kN，僅為破斷力的53.35％。

　　從數據上看，吊索設計是十分安全的。

　　問題三：萬一吊索在不可預料的情況下斷了很多，那麼重的質量塊砸向大廈，咋整？

　　以上海中心大廈為例，樓闆沖擊荷載檢驗顯示：

　　假設一組吊索斷裂，質量塊圍繞另兩組吊索發生傾轉，計算得出125層樓闆梁體系局部将承受2100kN的沖擊荷載，而沖擊荷載設計值為2520kN，與阻尼器維護時的擱置荷載标準值基本一緻，樓面結構可以承受此沖擊荷載。

　　上海中心大廈風阻尼器由12根鋼索懸吊

　　（本文所有圖片來自網絡）

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