【热点解读】摩天大楼如何稳如泰山？阻尼器功不可没

近日，上海全市普降大雨，局部暴雨。随着台风“烟花”逼近，上海维持大风大雨的天气，雨势时强时弱。“烟花”来势汹汹，上海摩天大楼如何稳如泰山？

原来，在中国第一高楼之称的上海中心大厦上，堪称“镇楼神器”的阻尼器开始出现摆动，给摩天大楼进行减振。

那阻尼器是什么？为什么小小的阻尼器能够使几百米高的大楼稳如泰山？

阻尼，其实是一种很常见的物理现象，简单来说就是对物体的运动造成阻碍，例如空气阻尼、油阻尼、粘滞阻尼、摩擦阻尼、涡流阻尼等，都是平时的生活中我们也经常遇到的，而阻尼器便是利用这种现象制作而成的一种实用工具。例如汽车内部常见的减震器，其实就是阻尼器的一种。

阻尼器可以理解为一种能量转换器。我们都知道能量守恒定律——也就是说在封闭系统里，能量是不会凭空消失或者产生的，但是能量是可以进行相互转化的。比如，汽车遇到坎发生上下振动，这个“动”，便是机械能，“动”引起弹簧发生形变，而形变的过程，一定会有一部分能量转换为弹簧内部的能量。

知道什么是阻尼器了，那么为什么高楼大厦需要阻尼器呢？

首先，导致大楼发生振动主要有两个原因，一个原因是地震了，那么大楼自然会发生振动，另一个原因就是风振效应。我国大部分建筑都没有位于地震带上，故在此仅介绍风振效应。

风振效应涉及到的知识非常复杂，我们简单介绍一下。拿起一张白纸，用嘴使劲吹一口风，你会感受到纸张发生了明显振动，同样的，超高建筑自建成之日起，每日都在经受这样的“摧残”，若不采取任何措施，先不说居住在内的人，建筑自己都受不了。

对于一般的由钢筋混凝土建成的大楼而言，钢筋本身具有弹性，我们可以将大楼看作是大型阻尼器，而越高的大楼，风振效应就越显著，大楼的结构强度已经不足以缓解振动了，这就需要某种手段来缓解振动，风阻尼器应运而生。

风阻尼器，一般叫调谐质量阻尼器。调谐质量阻尼器，一般有三部分构成，质量块、弹簧和阻尼系统（产生阻尼的装置）。

按照阻尼系统来分主要有：油阻尼、黏弹阻尼、 黏滞阻尼、电涡流阻尼等。油阻尼是具有代表性最早使用的阻尼元素，但是由于液压油自身的品质特点，容易受温度的影响，阻尼系数就会发生变化。

除了电涡流阻尼器外，其余形式的阻尼都存在性质不稳定和需要经常维护的缺点。而电涡流调谐质量阻尼器采用电磁铁或者永磁体，由于不接触所以没有机械摩擦、不需要润滑、不需要维护。大楼往左偏，阻尼器就往右，这一左一右便成功地化解了楼梯的振动。上海中心大厦用的就是这种阻尼器，但有所创新。

据新闻报道，上海中心大厦采用的是世界首创的摆式电涡流调谐质量阻尼器。

所谓的摆式，就是类似钟摆一样，悬挂于空中进行摆动，若不加任何措施，摆动的钟摆会在空气阻力以及绳索的摩擦力作用下缓慢停止，但这个过程过于缓慢，我们需要为其附加一个强大的阻尼系统。

电涡流，便是该阻尼器采用的阻尼系统。当一块处于静止磁场中导体板以一定相对速度运动时，导体板中的磁通量发生变化，产生感应电流，也就是电涡流，其能够产生一个与静止磁场相反的磁场（感生电场）来阻碍导体板与静止磁场之间的相对运动。

在感生磁场与永磁体磁场的相互作用下，晃动的质量块很快就能将动能转化为内能，并且耗散掉，大楼也就归于平静了。

据上海中心大厦工作人员介绍，该阻尼器单边摆幅的极限是1米，可以削减强风下高层晃动，帮助超高层建筑保持楼体稳定和安全，可以令大厦内90%的人能感受到较大的舒适度。自2016年启用以来，上海中心大厦的阻尼器的摆动幅度还没有到达过极限状态。

凭借着重达1000吨的阻尼器，任你狂风暴雨，我自岿然不动。而上海中心大厦也因此成功地经受住了本次超强台风“烟花”的考验。

（作者：梁嘉骐）

科学性把关：中科院物理所副研究员，罗会仟。

参考资料：科技日报、新华网