颱風來了，單憑阻尼器就能救摩天大樓？

「摩羯」前腳剛在海南上房揭瓦，「貝碧嘉」又在長三角翻箱倒櫃。

今年第13號颱風「貝碧嘉」的中心已於16日7點30分前後在​​上海浦東臨港新城登陸，成為1949年以來登陸上海最強的颱風。安裝在上海中心大樓125層的千噸「慧眼」阻尼器開始晃動，擺幅約超過1公尺。

在之前的颱風肆虐期間，還有人拍到大樓在風中搖晃的視頻，令不少網友大呼“害怕”！甚至有人認為這個大樓的地基有問題，是“豆腐渣工程”，還有的網友根本不相信大樓會被風吹得搖晃，直言是“P的”！

颱風來襲的時候，大樓真的會晃動嗎？真的沒事嗎？重達千噸的阻尼器又是做什麼用的？

一、摩天大樓：不只是在颱風地震期間，平常也晃

摩天大樓在遭遇颱風和地震的時候，受到變化的風荷載（即風對結構施加的力）、地震動作用，會產生往復的動力變形，也就是大家感受到的「搖晃」。結構物的振動是無法避免的，是結構在動力作用下的必然反應。實際上，在平時，大樓也會有振動，只是振動的幅度很小，人們很難注意到。在颱風、地震這樣的強烈荷載作用下，大樓的震動幅度也就相應增加了。此外，摩天大樓也需要透過「搖晃」來消耗颱風和地震輸入的大量能量。

可見，光憑颱風天裡大樓搖晃就判斷建築物是「豆腐渣工程」是沒有科學根據的。

大樓動工前，都要由工程師進行結構設計。工程師會根據大樓所處的地理位置，預估大樓可能承受的地震和颱風作用，並進行相應的設計，盡量減少大樓在這些外荷載（即所有外部環境對結構作用力的統稱）作用下的結構響應。在海岸強風地區，風荷載往往是結構設計的控制性因素，所以工程師往往會採用抗風設計。抗風設計必須滿足結構的強度、剛性、舒適度、抗疲勞破壞等設計要求，確保結構在風荷載作用下不會發生倒塌、開裂，也不會發生過大的位移，以確保結構的安全。

你可能會很奇怪，為什麼颱風天身處大樓內的自己感受不到搖晃呢？

其實，影響人體舒適度的主要因素有振動頻率、振動加速度和振動持續時間。振動持續時間主要取決於風力作用時間，結構的振動頻率又很難調整，所以結構設計中一般採用限制結構振動加速度的方法來讓人感覺更舒適。

當一棟大樓的振動加速度達到0.15 m /s^2時，身處其中的人們就會感受到建築物的搖晃。

二、阻尼器：風不動，我不動，風往南動，我往北動

如果僅僅依靠結構物的變形來抵抗颱風和地震的作用，在建設過程中，需要投入大量的成本以提高建築物本身的性能，這必然會導致材料的浪費。

這時候，一種可以吸收或消耗颱風和地震帶來的能量並減輕結構振動的裝置——阻尼器就登場了。

阻尼器一般可分為兩種，一種是耗能阻尼器，一種是調諧阻尼器。

耗能阻尼器

從能量的觀點來看，颱風或地震輸入到建築物中的能量是一定的，因此，耗能裝置耗散的能量越多，則結構本身需要耗散的能量就越小，耗能阻尼器就是利用這樣的原理減輕建築物的振動。

位於馬來西亞吉隆坡的國油雙峰塔採用的就是耗能阻尼器，它利用兩棟大樓間的空橋來平衡大樓間的搖晃，耗能阻尼器設置在空橋和大樓的連接點。在地震或颱風的作用下率先進入非彈性狀態，大量消耗地震能量，進而減輕結構的振動。

調諧阻尼器

調諧阻尼器則是透過增加一個子結構，把建築的能量轉移到子結構。這些子結構往往都重達數百噸，當颱風或地震將大樓晃到一邊時，阻尼器也會發生運動，其慣性運動方向和大樓運動方向正好相反。

依子結構的不同，分為調諧質量阻尼器（Tuned Mass Damper，簡稱TMD）和調諧液體阻尼器（Tuned Liquid Damper，簡稱TLD）。

由於調諧品質阻尼器具備對高層建築結構控振效果好、對建築功能的影響較小、成本低、佔地少且便於安裝、維修和更換等優點，在實際的高層建築結構風振控制工程中得到了廣泛的應用。

• 上海中心大廈

上海中心大廈的這顆重達千噸的「慧眼」就是電渦流調諧質量阻尼器，是我國的一項創新技術。它是目前世界上最重的阻尼器，重量約佔大廈的0.118%，由12 根長達25米的鋼索吊在大廈內部，單邊擺幅極限為2米。當強風來襲時，這個巨型複擺會擺向風吹來的方向，憑藉著自身的搖擺來減弱大廈的晃動幅度。

• 深圳平安金融中心

在「山竹」颱風中，深圳平安金融中心作為深圳第一高樓，能夠在強烈颱風的作用下保持完好無損，主要也在於其內部安裝的兩個調諧質量阻尼器通過慣性運動吸收了大量能量，這兩個阻尼器分別重達500噸，並放置在大樓的114層。據報道，其阻尼球在狂風中的擺動幅度達到2公尺。

• 台北101大廈

2004年建成的台北101大廈，在87層和91層之間安裝了一個重達662噸的風阻尼球。八條重量高達20噸的鋼纜環繞球的底部，將阻尼球和主體結構相連，在阻尼球的下方，另設置有八根水平向和八根斜向黏彈性阻尼器。風阻尼球是大樓抗風防震的主要結構之一。在2013年的「蘇力」颱風中，阻尼球產生慣性運動，擺動幅度達到70厘米，阻尼器大量吸收了颱風所帶來的振動能量，大大減少了台北101大廈在強颱風中的擺動量。

在狂風和地震面前，阻尼器之於摩天大樓好比定海神針般的存在，它保護大樓的安全，也給人們吃下顆定心丸。

參考文獻：

[1] 張麗芳，陳娟等著，土木工程結構抗風設計.北京：科學出版社，2017

[2] 李國強，陳素文等著，建築結構抗震設計.北京：建築工業出版社，2014

[3] Anil K. Chopra著，謝禮立、呂大剛等譯，結構動力學（第四版）.北京：高等教育出版社，2016 (虎嗅APP)