今年夏天的台风,让上海中心大厦125层的千吨阻尼器摆动明显,相关视频在网上热传。13号台风“白海豚”影响上海时,阻尼器的单边摆动幅度约为50厘米。高楼在强风作用下产生摆动时,千吨重的阻尼器以产生反向运动的方式来抵消大楼的摆动,消耗风力等外部力量产生的能量,帮助摩天大楼在强风等极端天气条件下保持稳定、减少晃动。据笔者了解,这件“镇楼神器”采用的电涡流阻尼技术,设定的极限值是单边摆动可达两米,仍然使高楼安全。
这一获得上海产学研合作优秀项目奖特等奖的科技成果,是上海材料研究所、同济大学土木工程学院、上海市机械施工集团有限公司经过5年努力,填空白,破垄断,联手完成的。

位于上海中心大厦125层的阻尼器
上海中心地上127层,地下5层,总高632米。地处东海之滨,年年有台风袭扰,大楼内必须设置“调谐质块阻尼器”,利用摆动来减缓建筑物所产生的摇晃,确保高楼安全。阻尼器也称消能器、减震器,它能够抵消建筑物受到的外力,使建筑物保持稳定,减小共振幅度,让大楼内约90%的人感觉不到大楼晃动。
2009年7月,上海中心的阻尼器由上海材料所承接。他们研究开发的阻尼器,从2000年开始在建筑、桥梁上应用,开创了国产阻尼器应用的先河。然而,在超高层建筑阻尼器的研发和应用上,当时仍被美国、加拿大、日本等国家垄断。
超高层阻尼器的研发和应用,当时在国内是第一次,挑战很大。上海材料所团队明白,自己虽然有一定的技术优势,但这么大的攻关任务由一家单位承担,难度太高。于是,所领导带队寻找合作伙伴。他们拜访了同济大学土木工程学院、上海市机械施工集团有限公司,洽谈产学研合作攻关。
陆家嘴高楼核心区,发生高空10级以上大风十分平常。此外,上海受台风影响较大。产学研联合攻关团队认为,阻尼器首先要提高结构设计的可靠度,同时要带来以下益处:降低大楼摇摆幅度,提高耐久性;明显减小大楼在常遇强风荷载作用下的风致振动的加速度;降低常遇小震对建筑物造成的破坏程度,对电梯运行不产生影响;可与大楼观光相结合,提供独特体验。
2010年,上海材料研究所、同济大学土木工程学院、上海市机械施工集团有限公司签订了产学研合作框架协议。
作为创新主体,上海材料所首先提出阻尼器设计构想,并通过小模型试验、中试试验,得到了大量的试验数据,并通过数值分析,确定了阻尼系统的本构力学关系。材料所将这些研究成果反馈给同济大学,为同济大学的参数优化工作提供依据。根据最终阻尼器参数,材料所在综合考虑现场安装条件和施工公司的施工能力后,通过各部件的拆分和组合,合理进行产品设计。在设备安装完成后,他们进行了现场调试,确保阻尼器符合设计参数要求;并通过实时监测,及时掌握阻尼器的工作状态。
作为设计复核单位,同济大学在材料所提供的数据基础上,开展了上海中心采用摆式电涡流调谐质量阻尼器的有限元分析,在满足业主要求和国内外相关标准的前提下,确定了阻尼器的最终参数。同济大学还补充进行摆式电涡流调谐质量阻尼器的振动台试验,一方面验证了电涡流阻尼的特性,另一方面也考察了阻尼器在地震作用下的响应,为上海中心大厦的应用提供建议。
作为施工单位,上海市机械施工集团根据阻尼器的参数和现场安装条件、施工能力,提出设计意见以及安装步骤、关键工序。由于质量箱的重量达到1000吨,而塔吊能力有限,需要现场拼装,且受到周边巨柱影响,整个施工面较为复杂。施工单位采用BIM建模方式,在125层楼面预先架立钢梁来承受整个质量箱的重量,全部质量就位后,通过吊索张拉,将质量箱吊起后,再拆除钢梁;随后在125层楼面开始组装电涡流系统、主体结构限位系统。这两个系统安装完毕后,最后调整索力和索长,将质量箱按照设计标高就位。

上海中心大厦是陆家嘴超高层建筑的收官之作。
经过两年多时间的联合攻关,超高层阻尼器研制成功。2014年8月,上海中心钢结构工程封顶后,开始安装阻尼器。为了安全,施工单位对吊装阻尼器进行吊装分析、楼层冲出卡荷载检验、塔冠域楼层层间移角检验和阻尼器支撑体系检验。在确定安全系数后,4台吊机安装在大厦倒数第三层和第四层,距地583米。12根粗大的钢索吊在大厦内部,将重达1000吨的阻尼器一层一层往上吊,到达最高位置125层。
千吨重的“定楼”阻尼器,端立在直径约10米的金色圆盘上,4组手腕粗的钢缆将其腾空吊起,犹如一件装饰艺术品。它能在超强台风来袭时发挥作用,轻松“镇楼”。科技与艺术的融合,成为上海中心大厦的一大亮点,让这座中国第一、世界第二的高楼成为最受瞩目的“超级工程”之一,被誉为“腾飞的东方巨龙”。