355.8米高的深圳市赛格广场大厦摇晃引发关注。相关通报中明确：鉴于该大厦未安装阻尼器，专家建议，下一步可以考虑安装阻尼器以提高防风防震能力和舒适度。
这个阻尼器，究竟是什么？在建筑中如何起作用？同济大学土木工程学院结构防灾减灾工程系鲁正教授一一细解。
鲁正教授
跳健身操，也可能导致摩天大楼晃动
说阻尼器，先从摩天大楼说起。 随着技术进步，人类建造的超高层建筑越来越多，很少有人知道，在设计建造过程中，“防晃”是重要考量。
这个“晃”的源头，主要有三种。鲁教授介绍，首先是风。观测显示,在300米高度上,6、7级别的风是常态,建筑受力大小与其高度密切相关。超高建筑在常规风速中“微摆动”不能超过200毫米/秒平方。相对于风因素的长期存在，地震等突发极端情况，也是结构工程师需要考虑的。
值得一提的是，还有一些无从防范的偶然性共振。共振指的是一物理系统在某个特定频率下，相比其他频率以更大的振幅做振动的情形；这些特定频率称之为共振频率。19世纪初，一队士兵在指挥官的口令下，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥。快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振。因为大队士兵齐步走时，产生的一种频率正好与大桥的固有频率一致，使桥的振动加强，当它的振幅达到最大限度直至超过桥梁的极限承载力时，桥就断裂了。类似的事件还发生在俄国和美国等地。有鉴于此，所以后来许多国家的军队都有这么一条规定：大队人马过桥时，要改齐步走为便步走。
在韩国，曾发生过一次高楼晃动事件，后来多方调查原因发现，原来晃动根源竟是当时楼内一家健身房中，有许多人正整齐跳操。
建筑设计相关标准中，对大楼的抗震抗风技术指标有非常严格的要求。为了保证稳固、安全和舒适，工程设计人员有很多技术手段，和不同的技术组合方式。例如，可以加大建筑结构构件刚度和截面，造得像个碉堡似的。而设计并安装阻尼器，也是多种选择之一。
阻尼器，可能你手边抽屉里就有
使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，被称为阻尼。而阻尼器，就是安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置。
阻尼器有主动、半主动、被动之分。前两者需要用到外部能源，控制系统较为复杂，而且一旦遇到地震等极端情况可能因“断电”而失效。因此，目前超高层建筑中，采用最多的是被动控制装置。
被动阻尼器，种类也非常多，包括位移型、速度型，以及上海中心和台北101大楼等安装的调谐质量阻尼器。
位移型阻尼器，比如软钢（金属）阻尼器，一般材料为软钢，软钢本身的强度，可以确保自身受力发生形变后能“弹回来”，若形变超过“屈服点”，便产生永久变形，进入塑性阶段。其原理就类似给建筑中容易产生形变的关键部位包上一层“海绵”。
软钢（金属）阻尼器示意图
速度型阻尼器，比如黏滞阻尼器，根据流体运动，特别是当流体通过节流孔时会产生节流阻力的原理而制成的，是一种与活塞运动速度相关的阻尼器。其原理是给建筑或桥梁装上了“安全气囊”。在地震来临时，阻尼器最大限度吸收和消耗了地震对建筑结构的冲击能量，大大缓解了地震对建筑结构造成的冲击和破坏。
黏滞阻尼器工作示意图
我们日常使用的阻尼滑轨抽屉，也是相同原理。关抽屉时，无论轻轻一推或重重一碰，过程匀速、缓慢、静音，不会发生屉箱与固定框的碰撞，保证其中物品不受损坏。
调谐质量阻尼器，给大楼加个“钟摆”
第三种，也就是在不少超高层建筑中应用的，是调谐质量阻尼器（TMD）。其知名的应用案例包括上海中心，台北101.其系统主要由固体质量块、弹簧和阻尼元件组成，是附加在主体结构上的减振子结构。附加的子结构自身具有质量、刚度和阻尼，因而可以调节子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基本频率或激振频率，这样当主体结构受到激振而振动时，子结构就会产生一个与主体结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主体结构的反应衰减并受到控制。
调谐质量阻尼器（TMD）工作原理
调谐质量阻尼器（TMD）工作示意图
这么专业的一大段，用更直白科普的语言来说，就类似在超高层建筑上部，设置一个重量至少为大楼总重百分之一的钟摆。结构设计专家通过调整钟摆质量、“挂绳”长度、安装位置等，使其与大楼结构基础频率一致。如此，当风振或其他外力因素产生的可能导致结构晃动的能量，迅速转移到阻尼器，从而保证主体结构稳定。
高达632米的上海中心大厦中，便安装了重达1000吨的电涡流调谐质量阻尼器。由于其顶部为高级酒店，必须确保结构在强风作用下不发生过大的振动，尽可能地提高使用人群的舒适度。上海中心首次将电涡流技术引入到超高层建筑TMD阻尼系统中，有效提高了工作效率与稳定性。
专研调谐质量阻尼器性能优化的鲁正教授介绍，如果调谐质量阻尼器正确安装，一般情况下不会失效。在设计过程中，也会考虑极端情境的安全问题。例如，上海中心的“钟摆”周围，设有限位环，确保若阻尼器工作时万一“钟摆”摆幅过大，也不会对周边装置造成危害。
除了这三种以外，在屋顶装个精心设计的游泳池，也是一种阻尼器。鲁教授介绍，这种类型名为调谐液体阻尼器，一般为矩形或圆柱形的水箱，利用水晃动时产生波浪作用力进行耗能。其自振频率由液体的高度和水箱的长度尺寸决定，阻尼力大小由液体类型和箱内隔板决定。此类液体阻尼器优点是构造十分简单，多项功能兼顾，布置位置灵活。不过，其单位重量耗能效率相对较低。据悉，国内已有高楼应用。
栏目主编：徐瑞哲 文字编辑：彭德倩 题图来源：图虫 图片编辑：苏唯
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