英華特技術(shù)分享 | 超高層建筑風(fēng)阻尼器原理

來源：英華特渦旋技術(shù)2024-10-12

臺風(fēng)過境，那些超高層建筑是如何抵抗強(qiáng)風(fēng)的？

圖1是坐落在上海的兩座著名的超高層建筑，上海中心大廈與上海環(huán)球金融中心，這兩座超高層建筑上個月都經(jīng)受住了13號超強(qiáng)臺風(fēng)“貝碧嘉”的考驗(yàn)。

它們是如何做到的？在它們內(nèi)部無一不采用了一種巧妙的設(shè)計(jì)，就是調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，英文名：Tuned Mass Damper (TMD)，又稱風(fēng)阻尼器。

圖1

上海中心大廈總高632米，如下圖2是上海中心大廈的風(fēng)阻尼器“上?；垩?rdquo;，整個阻尼器由中心慧眼加底部托盤重達(dá)1千噸位于大樓第125層（581米），四周由鋼索懸吊于大樓頂部，由電渦流提供阻尼。

圖2

那么風(fēng)阻尼器為什么能抵抗強(qiáng)風(fēng)，它的設(shè)計(jì)原理是什么，僅僅是因?yàn)樽枘岬淖饔茫?/span>

我們把大樓簡化成一個無阻尼單自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，如下圖3：

圖3

系統(tǒng)運(yùn)動方程，由于是單自由度系統(tǒng)，系統(tǒng)也只有一個固有頻率，如果臺風(fēng)的激勵頻率跟建筑的固有頻率一致，即頻率比，如圖4中的紅色曲線無阻尼的情況下，建筑就會共振，產(chǎn)生較大振動危害極大。

圖4

如何避免這樣危害極大的共振現(xiàn)象發(fā)生，就需要在高層建筑中引入調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，相當(dāng)于引入一彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)如圖5：

圖5

這是一個雙自由度系統(tǒng)，其系統(tǒng)運(yùn)動方程：

求解后的幅值曲線會有2個共振峰，如圖6為無阻尼的時候，合理的調(diào)節(jié)質(zhì)量與剛度可以使得在臺風(fēng)運(yùn)行頻率處，建筑的振動為0，即為圖6藍(lán)色虛線的最低點(diǎn)處，此時臺風(fēng)的能量全部轉(zhuǎn)移到引入的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)上，如圖7中間的雙自由度系統(tǒng)表現(xiàn)出現(xiàn)出來的振型。

圖7

在無阻尼的情況下不難發(fā)現(xiàn)存在另外一個問題，它雖然解決了臺風(fēng)在這一頻率下共振，但是臺風(fēng)的頻率是會變化的，若臺風(fēng)的頻率在圖6藍(lán)色虛線左右2個峰處，大樓依然會產(chǎn)生共振，如圖7左右2個質(zhì)量彈簧系統(tǒng)表現(xiàn)出來的振型。這時候就需要引入阻尼，在設(shè)計(jì)合適的阻尼后，臺風(fēng)與建筑的不同頻率比下呈現(xiàn)的峰值就會像圖8中的綠色一樣，在一定的頻率范圍內(nèi)沒有明顯的振動峰值。

圖8

這就是風(fēng)阻尼器的原理，也是文章一開始提到的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，也可以叫做動力吸振器。

參考文獻(xiàn)

【1】程耀東，李培玉．機(jī)械振動學(xué)．浙江大學(xué)出版社

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