摩天大楼阻尼器是什么原理（价格高昂的阻尼器）

摘要：近几日，赛格广场的赛格大厦出现晃动，如同当年的虎门大桥一样，人们纷纷对其安全性表示担忧。初步的调查结果表明：赛格大厦的晃动是风引起的，而且晃动的形式为上下晃动，同时专家建议赛格大厦增加阻尼器，以减小晃动。专家的初步结论基本合理，但是并没有解释赛格大厦上下振动的原因。另外，普通的阻尼器虽然造价高昂，但是也很难有效阻止上下晃动。

深圳的赛格广场曾经因其独特的设计，在2001年被评为“国家科学技术进步奖二等奖”，也曾因地处华强北，拥有赛格电子市场而闻名全国。如今，赛格广场因“晃动”再次成为热点。5月18日，赛格大厦出现明显的晃动，楼内人员全部撤离。

赛格大厦

初步的调查结果表明：此次大厦的晃动是由风载引起的，而且是上下振动的晃动形式，专家还建议大楼增设阻力器，以降低振幅。这个结论，我认为是没有问题的。而且第三方检测机构也表面大楼振幅小于标准值，楼体结构无损。这也表明，此次大厦的晃动都在设计的安全范围之内。

赛格大厦晃动引来围观

但是，事发当天，深圳地区的风并不大，为3级风，局部地区偶有5级风。即便是5级风，也并不是只有事发当天才有，赛格大厦建成至今已有21年之久，期间不知道出现了多少个5级风，都没有引起此次程度的晃动（六年前也有类似晃动）。初步调查的结论，并未对此进行解释。

每一个结构都有自己的固有频率，并且每一个固有频率都有与之对应的振动形态，高层建筑同样如此。由于高层建筑一般情况下都是“细细长长”，类似一根插入地面的高杆，如果用这种简化的模型，那么其固有频率和振型，可以较为容易得到。但是，这种简化模型的结果与真实结果显然是有差距的。我本想建立一个稍微“准确”些的模型，以估算一下赛格大厦的固有频率，奈何我的笔记本电脑能力不足，磁盘空间容不下计算量。这种高层建筑，其低阶的固有频率是偏低的。正如一些网友所言，根据视频观察，赛格的此次振动频率约为1.5Hz。查阅了一些文献，高层建筑的低阶固有频率差不多都是这个附近。

稍微“准确”的赛格大厦模型

这个世界是柔体的世界，任何材料在力的作用下都会发生变形。对于高层建筑，即便风力不大，但是由于高度大，变形“累积”下来，在高层建筑的楼顶就会有较大的位移了，这是完全无法避免的。如果这个风是恒力作用，那么即便位移较大，也是安全的。但是风不可能产生恒力。

卡门涡街

风由空气产生，空气流过楼体，会在尾部形成不对称的尾流，称之为卡门涡街。这种不对称的尾流，会在物体尾部左右形成不对称的压差，从而形成周期性的交替的作用力，作用于楼体之上。如果这个交替作用力的变化频率，恰好等于或者接近建筑的固有频率，那么就会发生传说中的共振了。在这种情况下，高层建筑的晃动会越来越大，直至倒塌。

高层建筑阻尼器

虽说共振比较危险，但是我们也是可以消除共振的。风载的激振频率无法改变，我们只能一方面通过设计，改变高层建筑的固有频率，另一方面可以用上减振的神器：阻尼器。当我们把一个来回摆动的球摆放入水中后，小球很快就会停下来，这个水就是一个阻尼器。高层建筑的阻尼器原理与之类似，都是通过消耗振动的能量，来降低振幅。高层建筑的阻尼器通常是一个吊着的重物，大楼晃动带动重物一起晃动，通过一些控制（比如电磁）实现重物晃动与大楼晃动不同步，从而逐渐消耗掉大楼晃动的能量。

正如前面所述，赛格大厦的3-5级风，并不是这几天才有的，几乎是每年每月都会发生。另外，温度也确实会影响钢结构，但是同样的温度的变化也非近期才有，也是每年都会发生。所以，虽然风和温度确实是引起此次晃动的原因，但是依然无法彻底解释清楚。

初步的调查结果表明，赛格大厦的此次晃动是上下形式的晃动。正常情况下，风载引起的振型，很难是上下形式的振动。一般在有限元分析的时候，都会将底部完全固定，所以在模态分析的时候，是不可能出现上下振动的振型的。由此可见，上下振动必定是底部约束不再是完全固定了。到底是什么原因导致底部约束的变化呢？

赛格广场周边

赛格大厦底部约束的变化，就是指地基受到的约束发生了变化。赛格大厦早在2000年就建成了，当时城市建设尚处于前期发展期，周边地下建筑基本没有。2004年地铁一号线开通，2016年地铁七号线开通。如果赛格大厦地基的约束发生变化，那么这2条地铁线影响巨大。查阅新闻，我们发现，赛格大厦六七年前也同样发生过类似的晃动，不过当时是台风天气。2016年通车的七号线，距今恰好是六七年。由此可见，正是由于地铁的建设，让大厦地基的约束发生了变化，从而影响了大厦的固有频率。这也就解释了前面的疑问。

正是由于赛格大厦地基约束的变化，从完全固定变为有一定的上下方向的弹性，才导致了此次赛格大厦上下振动的形式。这有点像地震的影响，地震分P波和S波，也就是纵波和横波。这种上下振动就属于纵波。由于高层建筑高度方向的尺寸远大于横向，因此高度方向上下振动，对结构本身的伤害较小。

P波和S波

正常的高层建筑，承受的风载都是横向的，其振动也是横向的振动。所以，一些阻尼器也都是阻止横向的振动，就像前面那个吊坠的重物一样。这种阻尼器结构较为简单，实现起来也较为容易，甚至直接在楼顶建一大蓄水池也能起到阻尼器的作用。

阻尼器的原理就是通过反向振动消耗能量，这种上下振动的方式，理论上也是可以通过反向上下振动来消耗能量。但是反向的上下振动，由于重力的影响比较难以控制。重力在上下的过程中会做功，需要的能量也就更大。所以，传统的横向运动的阻尼器无法直接用在赛格大厦上，即便这种阻尼器价格高昂。

赛格大厦出现了奇怪的上下振动，原因大概率是附近地铁线的影响，降低了地基的约束刚度。另外，由于传统的阻尼器都是横向运动的，无法消耗上下振动的能量，也就无法减振了。