神奇的能量转移和吸收（一）

随着社会经济的发展，高层建筑和超高层建筑日益增多。高层和超高层建筑在地震或者强风等激励作用下的动力反应强烈，很难满足结构安全、舒适性和适用性的要求。

调谐质量阻尼器(TMD)作为高楼抗振神器多被支撑或悬挂在结构上，将外部输入建筑结构的能量转移到阻尼器自身，并通过自身的振动吸收掉，从而减少结构的振动反应，提高结构舒适度，降低结构的疲劳损伤。

      “高楼抗振神器”—被动调谐质量阻尼器  

什么是被动调谐质量阻尼器？  

被动调谐质量阻尼器（Tunes Mass Damper，简称TMD）是一种安装在结构中特定位置，以便在发生地震或大风等强外力作用时，将结构振动幅度降低到可接受水平的被动控制装置。  

被动调谐质量阻尼器的构成 

TMD系统是由固体质量、弹簧/绳索和阻尼元件组成的振动控制系统，支撑或悬挂在需要振动控制的主结构上。 

被动调谐质量阻尼器的工作原理  

图片来源：https://www.nichizotech.co.jp/technology/tmd/  

根据物理定律，我们知道当外力作用于结构时，比如风推动摩天大楼，就一定会产生加速度。因此，摩天大楼里的人会感觉到这种加速度（晃动）。为了让建筑物的居住者感觉更舒适，调谐质量阻尼器被放置在结构中，用来抑制建筑物的晃动，有效地使建筑物相对静止。  

TMD系统的控制策略为应用子结构与主结构控制振型共振达到吸收能量的目的，并应用耗能阻尼材料或装置消耗子结构的振动能量，在不断吸收筑结构能量和消耗子结构振动能量中降低主结构的动力响应。  

TMD工作机理示意图  

    TMD作为子结构附加到主结构上，当主结构在外界激励力的作用下开始振动或摇摆时，它通过弹簧将TMD置于运动状态。并且由于惯性的作用，当建筑物被推向右侧时，TMD同时将其推向左侧，当建筑物被推向左侧时，TMD同时将其推向右侧。理想情况下，TMD和结构的频率和振幅应接近匹配，以便每次风推动建筑物时，TMD对建筑物都产生相等和方向相反的推动作用，使其水平位移（或垂直位移）保持在接近零的位置。通过这样的方式实现主结构振动的一部分能量转移给TMD的振动来完成，使主结构的各项地震响应（振动位移、速度和加速度）大大减小，达到控制主结构振动的目的。同时，TMD系统中设置的衰减器等也会消耗振动能量，进一步抑制结构的振动。  

大跨度结构（桥梁、观众看台、大楼梯、体育场屋顶）以及细长的高层结构（烟囱、高层建筑）往往很容易在其基本振型之一的高振幅下受到激励甚至产生共振，例如风或行进和跳跃的人，调谐质量阻尼器（TMD），可以非常有效地降低这些振动。    

在世界著名高层建筑中的应用        

美国最早开始进行振动控制理论的研究，将TMD系统应用到了高层建筑。随着人们居住空间越来越多的向空中发展，高层乃至超高层建筑层出不穷，TMD系统有了它的用武之地。从世界高层建筑与都市人居学会（Council on Tall Buildings and Urban Habitat，CTBUH）的统计来看，超高层采用的阻尼器类型有48%采用TMD系统减振，并经历了不同台风考验和大地震考验。故可以预见TMD系统的前景广阔。从地域分布来看，采用TMD系统建筑结构主要集中分布在台风地区、地震多发地区。       

   应用TMD的世界超高建筑  

神奇的能量转移和吸收（二）

调谐质量阻尼器(TMD)作为高楼抗震神器多被支撑或悬挂在建筑主体结构上，用来转移和吸收外部收入到结构中的振动能量。世界排名前十的最高建筑中，有30%都安装了TMD，并取得了神奇的效果。让我们来看看这些神器吧！

 千吨水箱助广州塔抵御“山竹”  

广州塔塔身主体高454米，天线桅杆高146米，总高度600米。为防止“小蛮腰”风中乱扭，工程师们在广州塔顶层安装了两个各540吨容量的铁质消防水箱，水箱下面装有轨道并带有控制装置。水箱平时当阻尼器使用，当塔身晃动时，水箱受计算机控制向反方向滑动以消除塔身的晃动。这两个大水箱就是调谐质量阻尼器（TMD），是广州塔减振控制系统的重要部分。另外，对于电视塔146米高的信号发射塔尖，工程师们还额外采用了两个18吨重的“小”钢球（AMD），同样作为钟摆式的阻尼以减弱天线的振动。  

通过四两拨千斤，工程师们用这个“巧劲儿”解决了阻尼这“笨重”的问题。能让广州塔扛得住 12 级台风和 8 级地震。减震控制效果约40%以上，为国内首创，达到世界一流水平。2018年第22号超强台风"山竹"破坏力惊人，广州塔仍能"岿然不动"。该建筑是我国在超高层建筑中成功应用混合控制技术的典范。该塔建成后，经历了多次大台风的考验。  

通过四两拨千斤，工程师们用这个“巧劲儿”解决了阻尼这“笨重”的问题。能让广州塔扛得住 12 级台风和 8 级地震。减震控制效果约40%以上，为国内首创，达到世界一流水平。2018年第22号超强台风"山竹"破坏力惊人，广州塔仍能"岿然不动"。该建筑是我国在超高层建筑中成功应用混合控制技术的典范。该塔建成后，经历了多次大台风的考验。

 大圆球也能抗震吗？——台北101大厦   

我国台北101大厦位于地震与台风高发区，大楼总高度508m，共101层，属于超高层建筑，如果风力强，造成结构的振动大，将使住户产生不适感，所以为了降低建筑物振动反应，在87层的一个房间内挂有一个TMD系统。它能将建筑物的地震响应减少40%。该TMD系统是世界上第一个引入建筑关键视觉元素的TMD。重现期为6个月的峰值加速度从7.9milli减少到 5.0milli-g。  

图片来源：https://baijiahao.baidu.com/s?id=1642662435242597926&wfr=spider&for=pc  

台北101大厦   

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TMD 系统示意图    

这个阻尼器直径5.5m，重达660吨，是101大厦的镇楼之宝，定楼神奇。  

TMD支架周围也设置了8支斜向的大型油压黏滞阻尼器，其功能在于吸收球体质量块摆动时的冲击能量，减少质量块的摆动。  

图 TMD工作机理  

为了避免强风及大地震作用时质量块摆幅过大，TMD下方放置了一可限制球体质量块摆动的缓冲钢环，以及8组水平向防撞油压式阻尼器，一旦质量块摆动振幅超过1.0m时，质量块支架下方的筒状钢棒就会撞击缓冲钢环以缓解质量块的运动。  

上海中心125层的“抗风神器”为何摆动？    

首次采用电涡流单级摆TMD，其质量块重大1000吨，是目前已建成的最大阻尼器，也是电涡流和可变阻尼在被动式TMD首次应用。工作原理如下:导体在磁场中运动时，由于其感生电动势的作用，磁场总是阻碍导体运动。将块状导体在磁场中运动的机械功在电涡流阻尼过程中通过导体的电阻热效应被消耗掉，从而产生电涡流阻尼耗能作用。    

电涡流阻尼器和限位环示意图  

 西半球最高住宅大厦的“镇楼神器”    

纽约432 Park Avenue 高度为426m, 高宽比1：15，采用2个600吨的可变回复力单摆TMD。本项目中粘滞阻尼器连接主要质量块和主体结构，在TMD相对时，粘滞阻尼器连杆伸长或者缩短，一部分振动的能量被吸收并以热能形式耗散。  

纽约432 Park Avenue   

可变回复力单摆TMD的概念设计  

 世界上最“瘦长”的摩天高楼为何能屹立不倒？      

高度达到435m，是世界上目前最纤细的建筑，高宽比达到1：24.3。采用双级摆（Dual-stage Pendulum TMD），总质量为800吨。双级摆包括两个质量块组件，其中一个质量块由缆索悬挂支撑，另一个由关节式支撑杆支撑，这种相关联运动的方式使得整个系统能够在接近结构自振频率的预计频率下运动。双级摆TMD比单质量块相比节约大量的空间。  

图片来源：  

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1695763959034773994&wfr=spider&for=pc  

纽约111 West 57th Street    

采用双级摆（Dual-stage Pendulum TMD）   

    阿联酋的战区导弹防御系统  

阿联酋有许多著名的建筑物采用TMD。其中之一是标志性的七星级酒店Burj Al-Arab。如果不是在TMD的帮助下，我们可能永远也看不到这家著名酒店今天的样子。由于该建筑靠近大海，其几何结构容易受到风漩涡脱落的影响，其外骨骼弓形特征受到极高振动的挑战。最初的想法是改变建筑物的形状，尽管建筑师强烈驳斥了这一提议，因为这将损害建筑物最初的概念形象。该问题通过使用11个分散在建筑物外部特征的5吨水平TMD得到解决。  

图片来源：http://www.360doc.com/content/19/0913/01/21414832_860681973.shtml  

Burj Al-Arab 5吨TMD（GERB振动控制系统）的一些位置  

阿联酋另一个使用TMD的著名建筑是谢赫扎耶德路附近的阿联酋塔楼。塔楼的顶部塔尖上安装了六个1.2吨水平调谐质量阻尼器，以控制细长引起的振动。  

  供稿：邹爽