什么是阻尼器，新科普丨台风中，上海中心125层的“抗风神器”为何摆动？

什么是阻尼器

台风“烟花”来袭，7月25日，上海中心大厦125层的阻尼器开始有节奏地摆动，以削减台风造成的楼体晃动，保持申城第一高楼的安全。“镇楼宝器”阻尼器为何会摆动？它靠什么削减高层晃动？所有高楼都要装阻尼器嘛？

【“阻尼器”如何削减晃动】

阻尼是一个物理学名词，指的是力的衰减和能量的耗散，有缓冲的意思。什么是阻尼器？

其实，阻尼器是一种提供运动的阻力以达到耗减运动能量的装置。上海理工大学物理系副教授、中国人工智能学会科普工作委员会委员田伟介绍，阻尼器的主要部分是由钢索悬吊的百吨级的配重物体，一般悬挂在300米以上。当强风来袭时，该装置使用传感器来探测风力大小和建筑物的摇晃程度，并通过计算机经由弹簧、液压装置来控制配重物体向反方向运动，从而降低建筑物的摇晃程度。在航天、航空、军工、机械等行业中早已应用各种各样的阻尼器（或减震器）来减振消能。从20世纪70年代后，人们开始逐步地把这些技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中。

位于上海中心大厦的“上海慧眼”，它的下方就是重达1000吨的阻尼器。戚颖璞摄

“阻尼器的运作原理就像身处摇晃的‘网红桥’（吊桥）上的人，将身体朝‘网红桥’晃动的反方向移动，来取得平衡。”田伟解释，如果强风从某个方向刮来，配重物就好比一个巨大的“钟摆”摆向风吹来的方向，使风阻尼器会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。使用了这一装置之后，能把强风加在建筑物上的加速度降低40%左右，这样一来，即使遭受强风袭击，建筑内的人也基本感觉不到建筑物的摇晃。

另外，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。

【镇楼宝器之最】

众所周知，超高层建筑，因为要面临大风和地震带来的不稳定性，有一定的风险。而且随着楼层高度的升高，风速也会增加。因此，世界上不少著名的超高层建筑，都安装了阻尼器。

上海中心的高度达到了632米，总共有128层，重量达到85万吨。上海中心大厦的上层部分，要承受着每秒数十米大风的袭击。就算是平常的气象，这座大厦所承受的风压就比普通高楼大得多，尤其是台风来袭，上海中心大厦就会出现大幅度晃动，而最大幅度可达到1.4米。

有人不禁要问，一栋这么高的楼左右摇摆幅度达1.4米，这不会倒嘛？

田伟介绍，上海中心大厦首次采用了电涡流调谐质量阻尼器，这也是我国的一项创新技术，能将大风作用在楼宇上的机械能，通过阻尼系统，最终转化为热能消散，提升大楼内的舒适度。

上海中心大厦的阻尼器位于大厦125层，又被称为 “上海慧眼”，它由配重物和吊索构成，类似于一个巨型复摆。这是一个重达1000吨的风阻尼器，是目前世界上最重的阻尼器，重量约占大厦的0.118%。这个巨大的阻尼器有12根钢索吊在大厦内部，每根钢索都长达25米。“上海慧眼”被安装在大厦的倒数第三和第四层，距离地面足有583米。

当强风来袭时，这个巨型复摆会摆向风吹来的方向，从而通过自身的摇摆来削弱大厦的晃动幅度。根据上海中心大厦施工方上海建工提供的数据，这种阻尼器可以降低风致峰值加速度，降低的幅度超过43%，可以令大厦内90%的人感受到较大的舒适度。上海理工大学环境与建筑学院高级工程师徐建设表示，如果不安装阻尼器，那么瞬时加速度大，人就感觉到晃动的程度大，会感觉眩晕，舒适度便会下降。

上海中心大厦阻尼器单边摆幅的极限是1米。2019年的台风“利奇马”影响期间，阻尼器单边摆幅超过50厘米，瞬时峰值一度达到了70厘米，摆幅创下上海中心大厦启用以来的最大纪录。此次受台风“烟花”的影响，该阻尼器的摆幅未超过“利奇马”的影响摆幅。

其实，除了阻尼器，上海中心大厦在建设之初就通过运用高科技的风洞实验测算，大楼柔和的轮廓和扭转120度的外形减少了风对建筑造成的摇摆，这样的设计比同样体量矩形建筑的风阻减少了24％。

【是不是高楼都要装】

既然阻尼器可以削减大楼晃动，是不是超高层建筑都要装？专家表示，超高层抗风抗震主要依靠大楼结构和外形设计，需要“自身硬”。阻尼器的作用更像是“锦上添花”，一方面削减晃动，优化体验、提高大楼品质；另一方面，增加结构的耐久性。根据我国相关规范，并没有强制大楼安装阻尼器。田伟介绍，一般来说，建筑物高度超过300米，就要安装阻尼器了。

不同的阻尼器，类型也有些不同。例如，有的国家多地震，设计的阻尼器更多考虑抗震效果。上海多台风，设计的阻尼器更多考虑抗风效果，所以也叫风阻尼器。我国首个大型风阻尼器安装于台北101大厦，它曾是世界上最大的风阻尼器，也是全球第一个作为游览景点开放的此类设施。在高楼林立的上海，装有阻尼器的摩天大楼一共有两家：上海中心大厦和环球金融中心。