高楼阻尼器工作原理动画演示（极限工作之安装风阻尼器）

上海环球金融中心风阻尼器吊装示意图

全球超高层办公、酒店、公寓建筑里很多都安装有风阻尼器。

风阻尼器是超高层建筑应对风致振动，在强风时降低加速度响应、降低大楼晃动幅度，提高内部人员舒适度的一种装置。风阻尼器也可以降低强震对建筑物，尤其是建筑物顶部的冲击。

风阻尼器就像一个巨大的钟摆，本质是一套阻尼系统（消能减振装置）。

工作原理很简单，就像身处摇晃小船上的人，要将身体朝小船晃动的反方向靠，来取得平衡一样。比如强风从北面刮来，风阻尼器就往北摆，产生一种与风向相反的力量，从而化解建筑物的摇晃程度，抵消强风对建筑物的影响。

“镇楼宝器”不是浪得虚名。

风阻尼器的类型有被动式、半主动式和主动式，被动式是当前各国摩天大楼最常用的阻尼器类型，原因很直接，最便宜。根据已有案例粗略估算，被动式需要500万美元，半主动式需要500～1500万美元，主动式需要1000～5000万美元。

被动式风阻尼器里，尤以调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，TMD）最为常见。

很好记的TMD，高楼都喜欢。

台北101大厦（508米）、纽约特朗普大厦（282.5米）、芝加哥约翰-汉考克大楼（457米）、上海环球金融中心（492米）和上海中心大厦（632米）是其中的典型代表，挑最高的三座来说说。

在中国第一座安装风阻尼器的超高层建筑是台北101大厦，大楼88～92楼层里挂置一个重达662吨的巨大钢球。

上海环球金融中心在90层悬吊了两个各重约150吨的质量块，是中国大陆地区首个使用风阻尼器的超高层建筑。

上海中心大厦则是在125层悬挂了重量达1000吨的电磁原理阻尼器，是全球第一座安装电磁原理阻尼器的大厦。

台北的101大厦“黄金球”风阻尼器

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一般来说，在正常的风压下，如果距地面高度10米处风速为5米/秒，那么在90米的高空，风速可达到15米/秒。若高度达300-400米，风力会更加强大。

超高层建筑遭遇6级以上强风时（风速10.8～13.8米/秒），里面的人会有轻微摇晃感，在风速达到30米/秒以上时，高楼会产生幅度较大的晃动。

以上海中心大厦为例。大厦地处小陆家嘴高楼核心区，发生高空10级以上大风（风速24.5～28.4米/秒）十分平常，另外，上海地区受台风影响因素也较大。

上海中心大厦在风洞试验里的对比数据显示，其气动外形设计可以削减整体风荷载约24％，满足结构设计的安全性。如果不设置风阻尼器，其1年回归期风致振动的标准与台北101大楼设置阻尼器的风致振动控制标准相似。

上海中心大厦的气动外形设计

但是，超高层建筑在设计上除了以安全为首要考量，还必须考虑居住的舒适性，在高楼层里生活工作的人，整天心惊胆颤地晃来晃去，就算大厦保证安全又怎么样？

总体来说，在高楼上安装风阻尼器，有以下五点意义：

（1）降低大楼摇摆幅度，不仅提高了结构的耐久性，也有利于几何悬挂式外幕墙的变形控制。

（2）明显减小了大楼在常遇强风荷载作用下风致振动的加速度，其舒适性甚至可超过世界最高H-10标准（大楼内最多仅有10％的人在遇到1年回归期强风时会感受到建筑物的振动)。

（3）可降低常遇小震对建筑物造成的损害程度。比如上海中心大厦及其周边地区受到小震影响的概率超过95％，近年至少年均一次，设置风阻尼器十分必要。

（4）超高层建筑中，电梯高速长距离运行，大楼晃动会对其产生不利影响。若强风引起的大楼振动超过电梯供应商设置的安全阀值，高速长程电梯将停止运行。设置阻尼器，根据理论测算，10年回归期风荷载引起的振动，高速长程电梯可照常运行，极大提升大楼的功能品质。

（5）可以与大楼观光相结合，提供独特的游历体验。比如101大厦的金色TMD和上海中心大厦的TMD都是外露式设计，可供游客参观。

101大厦的金色TMD是外露式设计

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TMD风阻尼器一般由几百上千吨的质量块、吊索、常规阻尼器和限位阻尼器组成。

当强风来袭时，装置里的传感器探测风力大小和建筑物的摇晃程度，并通过计算机运算后，经由弹簧、液压装置来控制质量块向反方向运动，从而降低建筑物的摇晃程度。

安装了TMD，将能使强风时加在建筑物上的加速度（重力）降低40%左右。

TMD质量块采用钢、铅、混凝土制作，系统惯性质量采用多级摆、倒摆、液压支撑系统、叠层橡胶垫等悬挂或支撑等。传统的TMD阻尼元件可采用油阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞阻尼器等。

在许多情况下，TMD设计中最主要的难点是可利用空间的限制，为了解决这一难点，一般都是将整个TMD安置在大楼的机械层内。

台北101大厦(2003年竣工)设置有当时世界最大的风阻尼器，单摆型。其外观为金色球体，直径5.5米，重662吨。风阻尼器从大厦的92层吊下来，四面用巨大的涂压式活塞紧紧系在大楼结构上，活塞同时让风阻尼器不会过度摆荡。

2015年8月8日，台风“苏迪罗”不仅使台北101大厦以及观景台罕见暂停营业一天，还使“黄金球”摆动幅度达100厘米之大，创史上最大记录。

上海环球金融中心(2008年竣工)风阻尼器的主要部分是由钢索悬吊的两个各重150吨的质量块，长宽各有9米，悬挂在大楼90层。由于驱动装置设计为可以沿纵横两方向运动，因此风阻尼器可实现360度方向的控制。

上海环球金融中心风阻尼器

上海中心大厦(2016年竣工)位于125层的阻尼器质量块重达1000吨，由12根长25米的钢索吊住，通过与主体结构的共振消减大楼晃动。采用电涡流技术的阻尼系统能减少质量块的振幅，消耗风振能量。

该阻尼器的极限摆幅达到2米，迄今为止，阻尼器摆动幅度还没有到达过极限状态。

今年8月超强台风“利奇马”路过上海，风速高达40米/秒，上海中心大厦的阻尼器最大摆幅是70厘米，距离极限摆幅还有巨大余地，完全经受住超级台风的考验。

上海中心大厦建设发展有限公司总工程师葛清说：

“和以往阻尼器利用机械原理不同，上海中心首创了世界上第一个引入电磁原理的阻尼器，由上海材料所自主研发，填补了世界空白。 ”

上海中心大厦风阻尼器上的装饰品：高30米的”上海慧眼“

另外，质量块也可以利用冷却塔、消防水箱或顶部独立结构作为惯性质量，被称为调谐液体柱型阻尼器(TLCD)。

比如广州电视塔（小蛮腰）的阻尼器就是用水做的，在小蛮腰的109到110层，有以消防水箱作为阻尼器的减振控制系统。TLCD结构简单，维护要求低，但防水要求高，需较大的安置空间以达到需要的质量比，摩天大楼不适用。

”小蛮腰“的风阻尼器

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问题一：根据风阻尼器的工作原理，它们的安放位置都在大楼顶部。动辄几百上千吨的质量块，如何吊装在五六百米的高空？

实际操作比想象中简单，化整为零。把质量块分成小块，使用塔吊吊装，吊一块上来，拼接组装一块。

问题二：质量块如此的重，吊索的要求得有多高？

以上海中心大厦为例，1000吨阻尼器由4组12跟钢索悬吊，吊索采用了高冗余度的设计标准，破断力为6280kN。

破断力就是要把钢丝绳扯断的最小拉力，单位为kN。

在正常状态下每根吊索的作用力为833kN，仅为破断力的13.2％；如果仅有两组吊索来承担载荷，每根吊索的作用力为1962kN，仅为破断力的31.24％。极限状态下，每根吊索的作用力为2233kN，仅为破断力的35.5％，此时，假设一组3根吊索中仅有两根工作，每根吊索的作用力为3350kN，仅为破断力的53.35％。

从数据上看，吊索设计是十分安全的。

问题三：万一吊索在不可预料的情况下断了很多，那么重的质量块砸向大厦，咋整？

以上海中心大厦为例，楼板冲击荷载检验显示：

假设一组吊索断裂，质量块围绕另两组吊索发生倾转，计算得出125层楼板梁体系局部将承受2100kN的冲击荷载，而冲击荷载设计值为2520kN，与阻尼器维护时的搁置荷载标准值基本一致，楼面结构可以承受此冲击荷载。

上海中心大厦风阻尼器由12根钢索悬吊

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