台北 101 大樓這樣的超高層建築的防震裝置是如何工作的？

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中新網8月8日電據台灣「中央社」報道，颱風「蘇迪羅」帶來強風豪雨，不僅台北101以及觀景台罕見暫停營業一天，台北101大樓內的防震阻尼器今早擺動幅度達100公分之大，擺動幅度創史上最大。台北101表示，颱風蘇迪羅強風威力之大，使得阻尼器Damper於今天6點59分，達到100公分，創下史上最大擺動幅度。儘管台北101大樓的阻尼器晃動幅度創紀錄，但仍屬安全範圍內。台北101指出，阻尼器最大擺幅可達正負150公分。且這是全世界最大的風阻尼器，自92樓懸掛至87樓，用來平衡大樓左右搖晃，可減少大樓約40%的晃動幅度。　
1、台灣101大樓內阻尼器的工作原理是什麼？它是如何通過自身調整來進行防震的。
2、其他的超高層建築一般採用哪種防震調節裝置？

謝邀。

分以下幾個方面作答：

1. 調諧質量阻尼器在高層建築中的作用：

101內這顆類似單擺的金色大圓球的正確名稱為調諧質量阻尼器（Tuned mass damper，簡稱TMD）。該阻尼器的功能主要是用來減緩因強風在建築上部所造成的振動舒適性問題（與樓層的峰值加速度相關而與層位移無關）。根據相關研究顯示，當樓層加速度達50mm/s^2時，部分人群會開始感覺到建築物的擺動因此感到不適。所以台灣規範規定：在回歸期半年（一年發生兩次）的風力作用下，建築物頂層加速度響應峰值不得超過50mm/s^2。

在101設計初期，經風工程顧問公司RWDI分析，頂層在半年回歸期風力作用下的峰值加速度達到62mm/s^2，如考慮颱風影響，則進一步增大至74mm/s^2。由於前者已超過了規範限制，為解決風致振動所產生的舒適性問題，業主最終決定在大樓頂部加裝阻尼器。加裝後，頂層加速度大約可以減少40%。

2. 調諧質量阻尼器的工作原理：

調質阻尼器的工作原理圖如下：

圖中m1、k1和b1分別表示主結構的質量、剛度和阻尼。而TMD則由質量塊/振子（質量m2，提供慣性力），彈簧（剛度係數k2，提供回復力）與阻尼（阻尼係數b2，提供能量耗散機制）共同組成。

TMD的工作原理為：通過將TMD自身的頻率調整接近主結構的控制頻率（對高層建築而言，該控制頻率一般為其基頻/第一頻率），當風力作用使主結構的主要頻率被激發時，TMD會因振子的慣性和彈簧所產生的回復力產生與主體結構反向的共振行為。在振動過程中，主結構上一部分能量將轉換為TMD振子的動能，一部分轉換為彈簧的彈性勢能，而剩下部分則通過TMD的阻尼器耗散。關於這種反向共振行為，請參考下gif圖中最右側的動畫。其中，藍色方塊代表主結構，紅色方塊代表TMD振子。

之所以說高層建築的控制頻率一般是其基頻，是因為在通常情況下，不論是順風向（抖振）還是橫風向振動（渦振），響應都主要來自於結構的一階受迫振動，來自結構高階的響應可以忽略。

雖然101中的TMD為單擺式，但其工作原理完全一致。唯一的區別在於：以上TMD的回復力由彈簧提供，而單擺式TMD的回復力由質量塊的重力所提供（類似家裡的老式掛鐘）。當單擺的振幅較小時，其自振周期T為（其中L為擺長，g為重力加速度）：

由於101大樓的控制周期約為6.8秒，根據以上公式，若要使TMD的頻率/周期與該控制頻率/周期一致，其擺長L約需11.5m。除四組11.5米長的高強度鋼絲索外，考慮到球形質量塊的直徑約5.5米，安置這樣一個TMD大約需要五層樓的高度。因此，該TMD最終懸吊於大樓的87-92層之間，共跨越了5層。

下圖中，位於質量塊下方的八支斜向布置的大型油壓粘滯性阻尼器用於吸收、耗散質量塊在擺動時的動能。而球體正下方的緩衝鋼環則通過八支水平向布置的防撞油壓式阻尼器固定，主要用於防止質量塊擺幅過大。

3. TMD對主結構動力特性的改變：

從本質上講，TMD之所以可以控制高層建築的動力響應（如位移、加速度等），是因為主結構在加裝TMD後在控制頻率處的動力特性發生了改變。

以手頭一棟305米超高層的減振分析為例，該高層的控制頻率為其基頻（f1=0.186Hz）。下圖為不採取減振措施和採取減振措施後（加裝TMD和TMDI）的頂層橫風向加速度頻響函數絕對值圖（僅繪出了基頻0.186Hz or 1.166rad/s附近）。可以看到，加裝TMD和TMDI後，該高層在基頻處的頻響函數絕對值大幅降低。由於線性系統的輸入（風激勵）與輸出（結構響應）譜密度間極其簡單的線性關係式（頻響函數），頻響函數絕對值的降低也意味著結構在該頻率處響應的降低。要更好地理解這一部分內容，可以參考結構動力與隨機理論與譜分析方面的教材，這裡只講這麼多。

4. 還有哪些高層採取了類似的振動控制裝置：

例子實在太多，就僅舉兩個大家都很熟悉的超高層：

1. 上海中心大廈 / Shanghai Tower（左）：

2. 哈利法塔 / Burj Khalifa Tower：

5. 調諧慣質阻尼器 / TMDI：

最後安利一波。

通常，風阻尼器要達到理想的振動控制效果，其振子質量一般需要達到主結構質量的0.5%~1.0%左右。對於超高層而言，這是一個非常大的質量。如上海環球金融中心風阻尼器300噸，台北101大廈阻尼器660噸，上海中心大廈阻尼器更是達到1000噸。顯然，將如此重的減振裝置置於高層結構的頂層是非常不利的（不僅經濟性差，還使得超高層P-delta效應加劇等）。

我們課題組通過與英國Bristol、義大利Sapienza University of Rome等高校合作，嘗試將已成功應用於F1賽車懸掛系統的Tuned Mass Damper Inerter（暫翻譯為「調諧慣質阻尼「）應用於高層結構。從目前針對數棟高層建築的數值分析結果來看，對於風致振動，如採用同樣質量的振子，TMDI能提供額外的、8%-20%的減振效果。另一方面，如需達到同樣的減振效果，TMDI所需的振子質量可以縮減至傳統TMD的60%，甚至更少！與TMD不同的是，TMDI甚至可以降低高層結構的高階振型響應，且對調諧不如TMD敏感（即當它的頻率與控制頻率有一定差別時，仍能起到很好的減振控制效果）。

問度娘百科：

風阻尼器_百度百科

小渣渣來說一下自己的理解

首先，damper的重量是660t，即660000kg

曾經拿strand7建模，因為並不知道台北101的確切尺寸，所以所有的尺寸都是預估，並不準確。

根據建模，估計大樓的1.2恆載和1.5活載大約是215000000kg

所以damper增加了重量，

對frequency造成了影響，

繼而影響了response

所以減小了displacement

另一方面，

damper由8個彈簧與tower鏈接

tuned mass damper給101塔增加了discrete damping ratio

所以大樓的damping ratio由 smeared damping ratio變成了 smeared damping ratio+discrete damping ratio

damping ratio會影響response

所以減小了大樓的displacement

謝邀，月初剛剛從台灣回來，101那個的確減震器的確挺cool的，其實每棟大樓都有的，不僅僅101.我當時也在想這個問題，我主觀認為是通過慣性補充吧，與風向相反方向運動，我當時是這麼想的。如果地震了，可以根據樓的擺動向多個方向擺動，減輕晃動。

抗風阻尼器就是把建築物所受的能量轉換給阻尼器。把建築的能量轉換給阻尼器的機械能，機械能在轉換成熱能消失。一般阻尼器下面都有消能設施加快阻尼器能量的消散，使其迅速恢復到原狀。

有的人問了，是不是阻尼器越重越好？肯定不是的，根據科學家計算大約為整個建築物重量的1%就可以。

還有就是阻尼器的震動的頻率一定要跟建築物的頻率越接近越好，越接近越好！

建築阻尼器基本原理是，在原有結構上添加一「層」，這一層的質量和與原結構間連接的剛度是兩個可控變數，這一層的阻尼也是可控變數但很難控制，通過調整質量和剛度，可以實現主體結構在地震動作用下側移的減小，理解起來可以看成兩個自由度（主體結構一個，附加層一個）的振動，比原來的一個主自由度振動時候，主體結構側移明顯減小，因為附加自由度吸收了部分能量，抗風應該和抗震類似吧我覺得。前面答案里提到的阻尼器「重」，還有阻尼器的「頻率」，實際上就是這兩個變數，附加層的質量和剛度，研究生的時候算過優化，附加質量確實不需要很大，剛度(頻率)則是優化的重點，另外，附加阻尼也是可以優化的，理想的附加阻尼可以使曲線整體變平緩，另外吐槽一句，算這玩意極端燒CPU

老闆剛剛開完小蠻腰的AMD慶功宴，等下我去找下資料回答下

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接著昨天的來回答……

要真正弄懂這個原理你首先需要看書，推薦下這本書（老闆編的很有水平）：

我們把書翻到163頁，就會看到TMD的介紹了，TMD學術上稱-結構振動調諧質量阻尼……

哈哈暈么？

首先來介紹下一個概念叫「控制振型」……

介紹一個生活常識：

手裡拿一根細長竹竿，慢悠悠來回擺動，竹竿形狀呈現為第一振型；如果你稍加大擺動頻率，竹竿形狀將呈現第二振型；如果你再加大擺動頻率，竹竿形狀將呈現第三、第四…振型；從而形象地可知：第一振型很容易出現，高頻率振型你要很費力（即輸入更多能量）才能使其出現，我們所說的控制振型主要是第一第二振型……（下圖選自某超限分析報告），每個結構在地震和風荷載作用下，會激勵出各種振型，振型1、2就是所說的控制振型

接著再說TMD的工作特點和原理：每個結構，不管是101大樓還是吊在他上頭的那個大球，都有自己的控制振型，通過調節質量塊（質量球）的「控制振型」與主體結構（101大樓）的「控制振型」一致達到動力吸振效果，並應用阻尼材料或者裝置消耗子結構的振動能量，從而減輕結構的振動……

什麼意思呢？就是說一個超大的質量塊，安裝在結構上，通過調整該質量塊的振動頻率來減弱結構自身的振動……

最好介紹下阻尼器：

就是這個支撐著鋼球的銀色的液壓桿，當鋼球振動時，阻尼器也做活塞運動，裡面的阻尼材料摩擦耗能，把鋼球的能量轉化為熱能耗散掉……

就先說到這裡……看懂了求點個贊哈～

來回答一下第二個問題吧。超高層結構由於其高度較大，風荷載往往會超越地震荷載成為控制荷載，此時採用減振裝置是非常有必要的。

目前超高層結構常用的減少風致響應的減振裝備主要有以下幾種:

1.調諧質量阻尼器，也就是台北101上採用的這種。能夠降低結構在風荷載下的響應，而對地震荷載幾乎沒有貢獻。上海中心，環球金融中心也都採用了這種減振裝備。

2.與調諧質量阻尼器原理類似，並用消防水箱等來代替巨大的質量塊，稱為液體調諧質量阻尼器，好處是減少空間佔用，通過改變水箱中水的多少可以改變裝備的頻率。但也只在風荷載下發揮作用。

3.粘滯阻尼裝置，一種速度相關型阻尼器，通過阻尼器兩端相對位移引起活塞中粘滯液體流動耗能。有桿式的粘滯阻尼器和成片的粘滯阻尼牆。按照布置方式不同，有直連式，採用放大裝置的，還有阻尼伸臂等。粘滯阻尼裝置在風荷載和地震荷載下均能發揮耗能減振的作用。

還有用於地震荷載的減振裝置，有人看再補充吧。

對消振動能量

有一個例子可以比較簡單通俗多解釋原理

找一個礦泉水瓶倒滿水擰緊瓶蓋

晃動幾下感覺一下振動衝擊力

然後打開喝一口裡面的水擰緊瓶蓋再晃動一下

SUPERTALL 的結構難點主要是水平風荷載，大樓傾覆。阻尼器是解決 wind load。

環球設了2個

上海中心1個

平安FC 4個

金茂大廈 0個（奇蹟的SOM）

還有這個

這個阻尼器全稱TMD，百度一下即可，原理很簡單

懸吊擺，被動控制的一種，再深的話可以看看李宏男教授的論文

其實就是個鐘擺，利用鐘擺吸收振動。

航空和汽車減震領域都有使用

國家地理還是Discovery拍過101的片子，裡面介紹過。可以去找找看。

遺憾了，初中的時候買過一本雜誌，上面有詳細介紹過這個球的工作原理，可惜前幾天收拾屋子把雜誌都賣了。

這裡找到一個介紹台北101防震阻尼器的：

http://epaper.ce.ntu.edu.tw/vol.21/101damper-1.html 貌似打不開，可能需要掛VPN…

希望有所幫助。