英华特技术分享 | 超高层建筑风阻尼器原理
来源：英华特涡旋技术2024-10-12
台风过境，那些超高层建筑是如何抵抗强风的？
图1是坐落在上海的两座著名的超高层建筑，上海中心大厦与上海环球金融中心，这两座超高层建筑上个月都经受住了13号超强台风“贝碧嘉”的考验。
它们是如何做到的？在它们内部无一不采用了一种巧妙的设计，就是调谐质量阻尼器，英文名：Tuned Mass Damper (TMD)，又称风阻尼器。
图1
上海中心大厦总高632米，如下图2是上海中心大厦的风阻尼器“上海慧眼”，整个阻尼器由中心慧眼加底部托盘重达1千吨位于大楼第125层（581米），四周由钢索悬吊于大楼顶部，由电涡流提供阻尼。
图2
那么风阻尼器为什么能抵抗强风，它的设计原理是什么，仅仅是因为阻尼的作用？
我们把大楼简化成一个无阻尼单自由度弹簧质量系统，如下图3：
图3
系统运动方程
，由于是单自由度系统，系统也只有一个固有频率，如果台风的激励频率跟建筑的固有频率一致，即频率比
，如图4中的红色曲线无阻尼的情况下，建筑就会共振，产生较大振动危害极大。
图4
如何避免这样危害极大的共振现象发生，就需要在高层建筑中引入调谐质量阻尼器，相当于引入一弹簧质量阻尼系统如图5：
图5
这是一个双自由度系统，其系统运动方程：
求解后的幅值曲线会有2个共振峰，如图6为无阻尼的时候，合理的调节质量与刚度可以使得在台风运行频率处，建筑的振动为0，即为图6蓝色虚线的最低点处，此时台风的能量全部转移到引入的弹簧质量系统上，如图7中间的双自由度系统表现出现出来的振型。
图7
在无阻尼的情况下不难发现存在另外一个问题，它虽然解决了台风在这一频率下共振，但是台风的频率是会变化的，若台风的频率在图6蓝色虚线左右2个峰处，大楼依然会产生共振，如图7左右2个质量弹簧系统表现出来的振型。这时候就需要引入阻尼，在设计合适的阻尼后，台风与建筑的不同频率比下呈现的峰值就会像图8中的绿色一样，在一定的频率范围内没有明显的振动峰值。
图8
这就是风阻尼器的原理，也是文章一开始提到的调谐质量阻尼器，也可以叫做动力吸振器。
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