作者：张毅
本文以上海中心大厦创新型阻尼器的研究与实践为案例，对外方设计的传统黏滞阻尼器进行了技术革新，在技术优化与改良的过程中辅以相应的试验验证，实现了很多关键技术与产品的国产化，在阻尼器技术运用方面取得了新的突破。
1 上海中心大厦主体工程概况
上海中心大厦位于上海陆家嘴金融贸易区，是集办公、商业、酒店、会展、观光休闲于一体的综合性超高层建筑。主体结构高度为580m，建筑总高度为632m，共有九个分区，每区形成独立的功能体系，建成后与原有的上海金茂大厦、环球金融中心呈“品”字形超高层建筑群(图1(a))。上海中心大厦塔楼是由钢筋混凝土核心筒与径向伸臂桁架和环带桁架及巨柱、角柱形成的巨型框架组成的结构体系…；建筑使用了双幕墙系统，由于削减风荷载和建筑造型的需要，外幕墙采用1200旋转向上的收分设计，这一独特的几何柔性悬挂式幕墙体系也是首次运用到超高层建筑之中。塔冠部分为大楼的第九分区，由中心的八角框架、中心顶部空间桁架和外围的鳍状桁架构成(图1(b)~(d))。
2 上海中心大厦阻尼系统及其原理
上海中心大厦阻尼器为被动式电涡流调谐质量阻尼器（简称电涡流阻尼器），设置在大厦的125层，是目前已建成的最大型阻尼装置，同时，也是电涡流技术和可变阻尼在被动式阻尼器中的首次应用，见图2。该阻尼器由以下分系统组成：1）质量配重与连接分系统；2）悬挂分系统；3）调谐装置分系统；4）电涡流阻尼分系统；5）安全限位分系统；6）锁固分系统；7）监测分系统。
3 上海中心大厦设置阻尼器的需求及类型分析
3.1设置阻尼器的依据和目的
3.1.1近场地地震历史数据分析
根据上海中心大厦项目工程场地地震安全性报告，工作区1.2级以上的地震距工程场地随距离的分布（频次）见表1，上海中心大厦项目工程场地近场区近期地震记录见表2。从表1统计数据来看，在200km以内，3.9级以下地震所占比例为96. 85%，即在上海及近周边地区地震历史记录中，小震占绝对多数；从表2记录数据来看，近期工程场地的地震基本以小震为主，且平均至少一年一次，个别年份达到一年三次，且为浅源性地震。
3.1.2风致大楼加速度分析
根据上海中心大厦阻尼器概念设计，不设置阻尼器时，若考虑台风影响因素，上海中心大厦顶部楼层在1年回归期的风致加速度峰值约为5.7×10-3g;5年回归期的风致加速度峰值约为13.4x10 -3g;10年回归期的风致加速度峰值约为20.9×10 -3g。若不考虑台风影响因素，上海中心大厦顶部楼层在1年回归期的风致加速度峰值约为4.2×10-3g;5年回归期的风致加速度峰值约为6.7×10-3g;10年回归期的风致加速度峰值约为8.0 x10 -3g。上海中心大厦结构第1阶和第2阶振型的振动频率根据设计给出的数据均约为0. 11Hz，在此频率下，依据日本建筑学会( AIJ 2004)建筑物振动对居住品质评价的指导准则，大楼顶部区域约30%的人会在加速度达到5.0 x10-3g时感受到楼体的轻微振动，见图3。
3.1.3有无阻尼器楼顶加速度与位移指标对比
根据阻尼器概念设计分析，设计师给出了上海中心大厦不同风回归期设置与不设置阻尼器楼顶峰值加速度与位移指标的对比数据，详见表3和表4。
3.1.4设置阻尼器的价值分析
上海中心大厦的气动外形设计根据风洞试验的对比数据，已经削减整体风荷载约24 %，如果不设置阻尼器，其1年回归期风致振动的标准与台北101大楼设置阻尼器的风致振动控制标准相似（约5.0 x10 -3g），同时，也满足结构设计的安全性且可以节省项目开支。另一思路是设置阻尼器，以下对其产生的利弊进行分析。
上海中心大厦在近周边地区受到小震影响的概率超过95%，近期至少年均一次，属于常遇外源性荷载；上海中心大厦高度超过600m，且地处小陆家嘴高楼核心区，发生高空10级以上大风十分平常。此外，上海地区受台风影响因素较大，因此，强风是上海中心大厦遭遇概率更大的外源性荷载。影响结构阻尼比的因素复杂且繁多，精确计算结构阻尼十分困难。如果设置阻尼器，首先能够使结构阻尼水平与假定值保持一致性，提高结构设计的可靠度，同时还将带来如下的益处：
(1)降低大楼摇摆幅度，不仅提高了结构的耐久性，也有利于几何悬挂式外幕墙的变形控制。
(2)明显减小了大楼在常遇强风荷载作用下风致振动的加速度，其舒适性可达到甚至超过世界最高标准，即H-10标准（大楼内最多仅有10%的人在遇到1年回归期强风时会感受到建筑物的振动），从而为大楼使用者提供了高舒适性的建筑品质。
(3)降低常遇小震对建筑物造成的损害程度。
(4)大楼晃动对电梯运行影响程度减小，超高层建筑中，电梯高速长距离运行，大楼晃动会对其产生不利影响。电梯供应商根据Sgal的水平加速度对电梯运行设置安全控制值（图4），若不设阻尼器，5年回归期强风和1年回归期强风引起的大楼振动就超过此安全阀值，高速长程电梯将停止运行；若设置阻尼器，根据理论测算，10年回归期风荷载引起的振动，高速长程电梯可照常运行，这就体现了建筑的功能品质。
(5)可以与大楼观光相结合，提供独特的游历体验。
而设置阻尼器的不利之处在于增加工程难度和造价。但鉴于上海中心大厦作为全球范围内的地标性建筑和其所具有的独特的观光功能，设置阻尼器所产生的长远价值是不言而喻的。
3.2阻尼器的类型评估与选择
目前，阻尼器主要分为三类：被动式阻尼器（包括水箱阻尼系统）、半主动式阻尼器和主动式阻尼器，而混合式阻尼器使用案例较少。各类阻尼器的优缺点比较见表5。
目前已建成的超高层建筑和高塔构筑物中，上海环球金融中心采用的是半主动式阻尼器( HMD)，台北101大厦、纽约特郎普大厦、纽约BloombergTower、芝加哥Park Hyatt大楼均采用被动式阻尼器( TMD)，广州新电视塔采用的是水箱加小型滑移质量块组合的阻尼装置。经过各项因素的综合比较，上海中心大厦被建议采用被动式阻尼器，其质量初步设定为1200t。被动式水箱阻尼器由于其体积至少要达到1200m3，再加上其移动幅度已远大于顶部建筑空间尺度，因而无法实现；另外一种与结构框架相组合的分布被动式阻尼器因与结构体系设计不匹配，且在超高层建筑中使用案例缺乏，因此也未被采纳。
4 上海中心大厦采用阻尼器的技术创新和优化
4.1两种被动式阻尼器性能比较
上海中心大厦阻尼器在技术设计的过程中出现了两种形式：1）黏滞型调谐质量被动式阻尼器；2）电涡流调谐质量被动式阻尼器。前者属于传统的被动式阻尼器，产品技术相对稳定；后者的技术具有创新性，虽然电涡流阻尼技术在工业马达、风能电机、车辆等领域有较广泛的运用，但在建筑阻尼器产品方面仍处于开发研究阶段。黏滞阻尼产品虽然技术成熟，但在超高层建筑中使用还是表现出某些方面的弱点，例如：1）阻尼杆件尺度和重量较大，其运输和搬运在超高层建筑使用阶段受到很大的限制；2）在强力和常遇性风致大楼振动长期作用下，一定年限后密封圈可能会因构件变形，存在产生渗漏的隐患；3）启动时的静摩擦有随时间增大的趋势，阻尼器反应能力因而减弱；4）阻尼比无法调节，使用寿命有限，行程设计寿命约25km，更换成本高。而反观电涡流阻尼系统，至少从理论上可以消除黏滞阻尼器存在的上述弊端或隐患，且在长期及均匀耗能方面更具优势。黏滞质量调谐阻尼器与电涡流调谐质量阻尼器的性能对比见表6。
4.2阻尼器变阻尼效能研究
电涡流阻尼器的一大优势在于可实现变阻尼，主要通过以下方式来实现：1）永磁体数量的选择与布置；2）导体不等厚度处理实现永磁体与导体间距的控制，来调节电磁场阻尼力的变化，从而达到变阻尼设计的目的。
上海中心大厦TMD阻尼力与阻尼系数和速度成线性关系，阻尼系数可按照下式计算：
由于阻尼调节技术的出现，在质量降低的同时提高阻尼比以调节阻尼系数，使得阻尼力根据设计目标区间，控制其变化处于不同的幅度范围。在保证目标加速度受控的前提下，阻尼器配重质量适当减少而产生配重质量块摆幅相应增加的技术难题可以得到解决。上海中心大厦TMD的阻尼比可以在4. 5%~26. 8%之间进行调节，相应的阻尼力约为15~89kN。由此，传统黏滞阻尼器所要求的将1 200t配重质量块被优化到1 000t就具备了实现条件。在评估了不同配重质量效果的基础上（表7)，选择1 000t配重质量作为优化方案，从而使得阻尼器在整体设计和造价控制上可获得更高的性价比。
4.3阻尼器材料选择、限位保护装置和维护设计的优化研究
4.3.1材料选择的优化
从表8，9永磁材料磁感应强度和矫顽力对比中可以发现，钕铁硼的矫顽力和磁感应强度均是最大的，这表明该材料磁性和保持磁性的能力较强，此外，钕铁硼还具备良好的机械加工性能，其室内使用环境温度远低于退磁的居里温度( 312~420K)，永磁体的物理特性基本保持稳定，因而可优选作为电涡流阻尼器磁场源的构成材料。
影响钕铁硼永磁体的稳定性的因素主要是环境温度和表面腐蚀。使用环境的瞬间高温和持续最高温度都会对磁体本身产生不同程度的退磁。尽管阻尼器的工作环境不会对钕铁硼产生影响，但出于长远考虑，仍然对所选择的N48H型烧结钕铁硼表面进行三层保护（镀镍铜镍+镀黑环氧+涂漆）。
在电涡流导体材料方面，一般有银、铜、铝、铁等选材，从电导率、导热系数和经济性来综合比较，铜材料综合性能最优，尤其是杂质含量少的纯铜作为优选的导体板，其与优选的钕铁硼永磁体相结合将具有良好的电涡流阻尼性能。在满足受力要求的条件下，设计团队还对铜导体滑框预埋件的尺度和位置进行了优化，减少了预埋件的数量和尺寸，提高了施工质量。
4.3.2限位保护装置的优化设计
上海中心大厦阻尼器的设计原则是：既要达到大厦的最高舒适性，又要满足罕遇地震和强风时结构的安全性。根据计算，当阻尼器无保护时，在回归期500年风荷载和2 500年地震荷载作用下，其摆幅分别为2. 3m和2.8m。因此，必须采取限制位移措施，使阻尼器摆幅限制在设计所允许的范围内。鉴于主体结构空间的限制，上海中心阻尼器限位设计值为2m，在限位方法方面有以下几种方案：1）设置部位在125层或126层；2）设置形式包括钢缆保护、结构墙保护、弹簧保护、泄压阀保护、油质液压杆保护、黏滞限位杆保护。
对上述方案的技术分析如下：塔冠结构126层为空间钢框架结构，若以此作为罕遇地震水平冲击力的承受体，将大幅度调整设计，且对复杂的塔冠结构产生不利影响。125层与核心筒剪力墙连接具有较强的楼层结构抗剪能力，因而保护系统设置在125层更合理也更安全。根据利弊分析，最终采用了黏滞限位杆保护方案。各保护形式利弊分析见表10。
4.3.3维护体系的优化设计
(1)锁固装置。阻尼器维护时必须处于锁定状态，实现1 000t质量块锁定可以采用钢支架支撑锁定，也可以采用钢缆锁定，比较后发现，钢支架锁定虽然在其他工程中是常用做法，但钢支架会占用空间，储存和使用也不方便，上海中心大厦采用了钢缆张拉索定方案，相比于钢支架更有利于使用和储存。此外，钢缆的连接支座与限位杆的连接支座采用合二为一的优化设计，节省了材料和空间。
(2)导体维护设计。铜导板尽管有很长的使用寿命，但在维护设计上采用了滑轨装置，确保在需要局部材料更替维修时，可以利用滑轨将导板从阻尼器下方移出。
(3)阻尼器性态监测的实施。电涡流阻尼器是一项技术应用的创新，除了对其工作性能进行跟踪外，阻尼器配置性态监测系统也对其维护工作给出了一个评估标准，使得阻尼器的维护更具有客观的评判依据，从而在技术控制方面优化了 阻尼器的维护工作。
5 电涡流阻尼器的技术和安全论证
5.1减震（振）效果分析性检验
原设计单位使用MSC Visual Nastran Motion软件对阻尼系统进行了动力模型分析。第三方复核采用了SAP2000和ABAQUS软件进行验证，由于采用了不同的软件，在同等参数输入条件下，其复核结果具有独立性和客观性。复验单位首先从50年、475年、2 500年重现期地震作用条件下，分析两个主要方向上阻尼器的地震响应。在假设结构为弹性的前提下，进行设置与不设置电涡流阻尼器包括该阻尼器被无约束安放和锁定情况下各楼层处位移响应对比、各层剪力对比，计算TMD配重块位移及对限位装置的冲击效应的检验。大震、中震、小震下减震效果的对比见表11。同时，也验证了大震作用下若不设置限位环，阻尼器将与所在楼层发生碰撞；设置限位环产生的最大撞击力约为7 000kN，小于限位系统的最大设计载荷8 500kN;且根据《建筑抗震设计规范》( GB 50011-2010)要求，按照大震分析取7组时程反应谱的平均值计算，限位环最大移动距离小于其与楼层结构之间的间隙尺寸，大楼结构安全受控。在各回归期800和2700风向角风荷载作用下，设置阻尼器能够有效减小各楼层的加速度响应，显著提高建筑物舒适度，比对数据见表12，同时也验证了阻尼器能够减小脉动风引起的位移，但对平均风引起的位移影响微弱。2 500年重现期地震作用为安全设计控制条件。
5.2结构安全性分析检验
(1)吊索分析。吊索采用了高冗余度的设计标准，拉索的破断力为6 280kN。在正常状态下每根吊索的作用力为833kN，仅为破断力的13.2%；如果仅有两组吊索来承担载荷，每根吊索的作用力为1 962kN，仅为破断力的31. 24%。极限状态下，每根吊索的作用力为2 233kN，仅为破断力的35. 5%，此时，假设一组3根吊索中仅有两根工作，每根吊索的作用力为3 350kN，仅为破断力的53. 35%，因而吊索设计是十分安全的。
(2)楼板冲击荷载检验。按照《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)有关抗连续倒塌概念设计的内容，假设一组吊索断裂，对应组吊索不参与工作，质量块围绕另两组吊索发生倾转，计算得出125层楼板和梁体系局部将承受2 100kN的冲击荷载，并考虑设备卸载动力系数1.2，冲击荷载设计值为2 520kN，与阻尼器维护时的搁置荷载标准值基本一致，楼面结构可以承受此冲击荷载。
(3)塔冠区域楼层层间位移角检验。结构设计分析了阻尼器对主体结构产生最大水平力时的层间位移角，其指标详见图5，检验结果表明，阻尼器的作用在主结构的安全设计范围内。
(4)阻尼器支撑结构体系检验。阻尼器悬挂在 塔冠八角框架的顶部空间桁架上，该结构体系还支承塔冠幕墙结构和132层钢平台的载荷，传力复杂。综合各方面因素，结构应力比如下：1）八角框架在非地震组合下的最大应力比为0. 89，在中震弹性组合下的最大应力比为0. 77，在大震不屈服作用下的最大应力比为1.0；2）阻尼器支撑桁架在非地震组合下的最大应力比为0. 53，在中震弹性组合下的最大应力比为0. 47，在大震不屈服作用下的最大应力比为0. 57；3）阻尼器支撑梁的最大应力比为0. 73 0
经检验，八角框架和阻尼器支撑桁架、支撑梁可满足中震弹性和大震不屈服的设计要求，高于伸臂桁架中震不屈服的设计标准，结构安全可靠。
5.3电涡流阻尼器的测试检验
除了理论方面的独立分析论证，在研发过程中，还对电涡流阻尼器进行了大量的试验和测试工作，包括：小试、中试、耐疲劳测试、限位阻尼杆试验、电磁环境测试等，检验了阻尼力与速度之间的关系，永磁体与导体间距变化、永磁体数量和导体厚度改变与变阻尼之间的关系，采用不同永磁材料阻尼器自由衰减的状态，不同摆动角度下阻尼比的变化程度，阻尼系统与质量块关键轴承连接工作的可靠性，持久工作后阻尼比的稳定性，阻尼杆的行程试验和对环境的影响程度等等。一系列阻尼比测试工作和部分测试结果见图6、图7、表13、表14。
另外，对于一项创新型技术的应用，电涡流阻尼器在工作状态时的性态监测也被采纳，为长期检验阻尼器的工作性能提供第一手数据和检验资料。
对于磁环境的测试，中试模型和现场实物磁场强度测量了永磁体表面磁场强度、水平面上正交的4个方向距永磁体不同距离的磁场强度。经过测量，距永磁体50cm范围外，磁场强度即迅速衰减至0. 2mT（该值为国际上认可的安全值）。而访客所在的位置离阻尼器大于2m，因而是安全的。
5.4完整产品的现场测试与微调
在电涡流阻尼器完成安装后，根据现场实际测试的结果，阻尼器摆索长度从20. 6m调整到21. 5m；电磁阻尼在覆盖行程350mm的区域内通过补充铜导板，使得实际阻尼比从3. 5%加强到设计要求的4. 5%，并控制其偏差在设计允许范围之内。
6 结论
(1)电涡流阻尼器与传统的黏滞阻尼器相比较优势明显，主要表现在以下几个方面：1）稳定性与耐久性强；2）使用寿命长，维护成本低；3）响应灵敏度高；4）可实现变阻尼；5）持续耗能能力强。
(2)电涡流阻尼器阻尼力与永磁体和导体间距成反比，与永磁体面积和导体厚度成正比，这一特性形成了其实现变阻尼的基础性条件。
(3)电涡流阻尼器其阻尼力在疲劳试验后性能基本稳定，一般情况下可以做到免维护。
(4)电涡流阻尼器对环境的影响程度较低，与传统的限位技术相结合，其安全运行的可靠性较高。
(5)风荷载作为常遇荷载的耗能对象，被动式阻尼器对风振引起的加速度具有显著的降低效应，且能够有效降低小震时的结构响应，较适应于强风和小震等外源性荷载为主地区的超高层建筑。
(6)被动式阻尼器能够减小脉动风引起的位移，但对平均风引起的位移影响较弱。
7[摘要] 通过对上海中心大厦设置阻尼器的需求分析、价值实现、阻尼器的创新优化、安全分析及理论与试验验证，阐明了电涡流质量调谐阻尼器从技术概念到工程应用的实现方法。通过研发过程中不断改进、优化和全面的分析与试验，验证其在上海中心大厦工程中运用的可行性、安全性和效益性。作为被动式阻尼器新技术的开拓性研发与实践，取得了基本免维护、高灵敏度和可调阻尼比的创新成果其全过程技术工作的方法和成果对其他大型工程在阻尼器设计和运用方面具有较好的参考价值。
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