强风袭击“城镇建筑文物” 使摩天大楼像泰山一样稳定

今年的第六号台风“烟花”来势汹汹。7月25日，“烟花”逼近上海，造成全市大雨，尤其是黄浦江两岸。这个时候，最让人担心的往往是高楼。然而，被称为中国第一高楼的上海铁塔却像泰山一样稳定。

科技日报记者了解到，这种可以称之为大楼125层“镇楼神器”的阻尼器，对这座摩天大楼的减振起到了特殊的作用。

那么，中国在世界上首创的摆式涡流调谐质量阻尼器的科学原理是什么？它在地震和大风环境中能起到什么作用？

超高层建筑的高层区域风速比地面大5—6级

“随着社会经济的发展和城市人口密度的增长，城市土地越来越稀缺，高层建筑和超高层建筑不断增加。”中国矿业大学力学与建筑工程学院教师丁北斗博士说，超高层建筑的高层区域风速比地面高5-6个等级，特别是风速大的时候，建筑会摇晃，让人头晕目眩。

据江苏建筑职业技术学院建筑与施工学院院长方同庆博士介绍，超高层建筑需要解决的技术问题很多，其中抗风是最重要的。

方同庆告诉记者，由于超高层建筑高宽比较高，建筑物对外力的反应强烈，在风荷载作用下，建筑物的晃动幅度会较大，不仅会增加结构疲劳，降低建筑物的安全性，还会大大降低人们生活的舒适度，甚至引起头晕。

因此，用物理原理和科学方法调谐惯性力、降低振动响应、减轻结构疲劳是超高层建筑抗震设计中的重要技术问题。

丁北斗还介绍，建筑高度和高宽比的增加以及新型轻质高强材料的使用导致结构刚度和阻尼降低，在地震或强风激励下动力响应强烈，难以满足建筑结构安全、舒适和使用性能的要求。

在提高建筑强度的同时，会增加自身的重量和刚度，同时，肯定会降低其延性。此外，现代建筑不仅需要满足自身的使用功能，还需要与艺术感相结合。因此，迫切需要寻求一种更安全、更合理、更经济的抗震设计方法。

记者了解到，目前，安装在上海中心大厦的摆式涡流调谐质量阻尼器在遇到大风来袭时，采用传感器，不仅可以检测到建筑物的风力和晃动程度，还可以通过计算机通过弹簧和液压装置控制配重物体反向移动，从而降低建筑物的晃动程度。

设计灵感不仅仅来源于“烛龙之眼”

在方同庆眼中，这座建筑使用的摆式涡流调谐质量阻尼器的设计灵感，不仅来自于中国优秀传统文化中的“烛龙之眼”，更来自于中国科技人员在国际上将涡流和变阻尼成功应用于被动TMD(调谐质量阻尼器)，从而为摩天大楼应对台风和地震创造了“秘密武器”。这既是世界超高层建筑被动控制技术的标志性成果，也是中国科技人员创新、创造、智慧的结晶。

“该建筑的摆式涡流调谐质量阻尼器是涡流技术和变阻尼在被动阻尼器中的首次应用。”扬州大学建筑科学与工程学院江致君博士说，阻尼器由吊索、质量、阻尼系统和主体结构保护系统四部分组成。质量为1000吨，由12根长度为25米的钢缆悬挂。它是目前世界上最重的摆式阻尼器质量。

江致君介绍，阻尼器质量和吊索构成一个巨大的复摆，与主体结构产生共振，可以减少建筑物的晃动。在质量块下，盘状磁场源和金属板构成涡流阻尼系统。在风荷载或地震的作用下，建筑主体结构会发生晃动，然后阻尼系统的金属板会一起振动，从而控制整个建筑的频率，保持整个建筑的平衡。

“这是由于阻尼系统中存在磁场，振动的金属板会产生涡流，从而将动能转化为电磁能，最后转化为热能并逐渐消散，达到摩天大楼良好的减振效果。”江致君说。

江致君还告诉记者，与传统的粘滞阻尼器相比，摆式涡流调谐质量阻尼器具有明显的优势。其中最突出的是阻尼可以调节，保证阻尼力满足设计目标。其次，减震杆体积小，重量轻，便于运输和安装，有利于在超高层建筑中使用。

此外，由于阻尼系统不需要工作流体，可以避免阻尼器组件变形导致的密封圈泄漏问题，有效降低维护成本，延长设备使用寿命。

“调谐质量阻尼器作为被动控制技术之一，由于其建筑面积小，安装、维护和更换方便，经济实用，未来将更多地应用于生产实践。”丁北斗说。