上海中心大厦新型阻尼器效能与安全研究

第46卷第1期2016年1月上建筑结构Building Structure Vol．46No．1Jan．2016

上海中心大厦新型阻尼器效能与安全研究

12

宋伟宁，徐斌

*

（1上海中心大厦建设发展有限公司，上海200120；2上海材料研究所，上海200437）

［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。

［关键词］上海中心大厦；电涡流调谐质量阻尼器；永磁材料；建筑舒适度；结构耐久性；可变阻尼；限位保护中图分类号：TU973．3

文献标识码：A

848X （2016）01-0001-08文章编号：1002-

Research on performance and safety of innovated damper for Shanghai Tower

Song Weining 1，Xu Bin 2

（1Shanghai Tower Construction ＆Development Co．，Ltd．，Shanghai 200120，China ；

2SRIM ，Shanghai 200437，China ）

Abstract ：Through demand analysis ，value realization ，damper innovation and optimization ，safety analysis ，theoretical and experimental verification of setting the damper for Shanghai Tower ，the realization method of eddy current tuned mass damper technology was clarified from concept to engineering application．Through the development process of continuous improvement ，optimization and comprehensive analysis and test ，its feasibility was verified as well as safety and efficiency used in the Shanghai Tower project．As the research and practice of pioneering new technologies of passive dampers ，the innovative results of basically maintenance-free ，high sensitivity and adjustable damping ratio were obtained．The whole process of technical work and technical achievements provided a good reference for the design and application of dampers for other large-scale projects．

Keywords ：Shanghai Tower ；eddy current tuned mass damper ；permanent magnetic material ；building comfort ；structural durability ；variable damping ；position-limit protection

0引言

近年来，超高层办公、酒店、公寓等新型建筑大

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

［1］

量出现，其中设置的阻尼系统除了承担保护结构性延长结构生命周期等功能外，还逐渐开始为改善能、

建筑使用的舒适度、提升建筑的品质提供服务，阻尼系统在该方面的工程实践效果在台北101大厦、纽芝加哥约翰·汉考克大楼、上海环球约特郎普大厦、

金融中心大厦、上海中心大厦等地标性超高层建筑中表现得尤为突出。

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

；

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120ʎ 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

*上海市科委资助项目（[1**********]）。

Email ：songweining163@163．作者简介：宋伟宁，本科，高级工程师，

com 。

图1上海中心大厦建筑效果和塔冠结构示意

图2电涡流阻尼器和限位环示意图

涡流技术和可变阻尼在被动式阻尼器中的首次应

［2］

见图2。该阻尼器由以下分系统组成：1）质量用，

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。

阻尼器参数说明如下：1）目标频率（一阶模态）0. 111Hz ；2）阻尼器质量1000t ；3）广义质量比0. 96%；4）频率比99. 3%；5）吊索长度20. 6m （基于标称频率）；6）调谐范围为95% 115%；7）阻尼力F magnetic 与阻尼系数和速度成线性关系；8）限位装置F SVDD =C snubberVDD ·V 0. 2［2］，F SVDD 为限位力，其中，C snubberVDD 为阻尼系数，V 为运动速度。

工作原理如下：在电磁物理学中，根据楞次定律，导体在磁场中运动时，由于其感生电动势的作用，磁场总是阻碍导体运动。将块状导体在磁场中运动的机械功在电涡流阻尼过程中通过导体的电阻热效应被消耗掉，从而产生电涡流阻尼耗能作用。流过导体的电流密度J 可以表示为：

J =σ（V ˑ B ）

导体电流在磁场受到的电磁力F 为

：

F =

∫（J ˑ B ）d V

V

若导体板全部在磁场内，且运动方向与磁场方向正交，则电磁力F 为：F =－σδSB 2V

式中：σ为导体的导电系数；δ与S 分别为导体的厚度与表面积；V 为导体在磁场中的运动速度；B 为磁感应强度，负号表明电磁力与导体切割磁力线速度方向相反。

因此，电涡流阻尼力呈现线性阻尼特性，其大小与导体的导电率、体积和运动速度及磁场磁感应强度的平方成正比

［2］

，其能量转移方式为：超高层建

筑位移机械能→阻尼器质量块机械能→阻尼器电磁能→耗散性热能。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

［3］

，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

工作区地震距工程场地随距离的分布（频次）

表1

震级M S 范围

0＜d ≤2525＜d ≤5050＜d ≤100100＜d ≤150

距离d /km

150＜d ≤200d ＞200频次统计（d ≤200）d ≤200各震级频次占比

（频次总数为1425）

1. 2 1. 9

[***********]5. 72%

2. 0 2. 9

[***********]5. 86%

3. 0 3. 9

[1**********]5. 26%

4. 0 4. 9

1165817211. 47%

5. 0 5. 9

0167531191. 33%

6. 0 6. 9

000231750. 35%

7. 0 7. 9

00000100

注：距离大于200km 的地震，不计入总数。

工程场地近场区近期地震M S ≥1. 0级记录

（1970年1月 2007年12月）

序号年/月/日[***********]4151617

北纬

东经

M S

深度

/km—————————4——1418——

参考地名上海上海市南汇区上海市川沙附近上海市曹行附近

长江口上海市闵行区北桥闵行之间闵行附近上海市南汇区上海市徐汇区上海市南汇区上海市南汇西上海市宝山区江苏太仓上海市松江区上海市宝山区

表2

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

－3［4］到5. 0ˑ 10g 时感受到楼体的轻微振动，见图3。

1971/5/2631ʎ12' 121ʎ24' 1. 51979/12/1731ʎ08' 121ʎ42' 1. 51984/12/931ʎ11' 121ʎ33' 1. 91987/6/1631ʎ07' 121ʎ25' 1. 11990/10/2631ʎ24' 121ʎ33' 1. 41991/8/2131ʎ17' 121ʎ47' 2. 31992/10/831ʎ00' 121ʎ21' 2. 11992/10/1731ʎ01' 121ʎ25' 1994/2/1931ʎ04' 121ʎ36' 1995/4/2

12

1992/10/2731ʎ02' 121ʎ23' 1.

2

31ʎ12' 121ʎ25' 2. 2

—启东东南长江口附近

1997/7/2131ʎ06' 121ʎ38' 1. 31998/3/1831ʎ04' 121ʎ38' 1. 22002/4/2931ʎ27' 121ʎ24' 2002/8/2331ʎ03' 121ʎ13'

11

2002/7/1731ʎ30' 121ʎ17' 2. 22004/4/2731ʎ28' 121ʎ24' 1. 0

90表示建筑物中有90%的人会感受到振动，注：H-余同。

图3建筑物振动感知指标图

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

详见表3顶峰值加速度与位移指标的对比数据，和表4

［4］

场地近场区近期地震记录见表2。从表1统计数据

3. 9级以下地震所占比例为在200km 以内，来看，

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，个且为浅源性地震。别年份达到一年三次，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

若考虑台风影响因素，上海中心大厦顶部楼尼器时，

层在1年回归期的风致加速度峰值约为5. 7ˑ 10

g ；5年回归期的风致加速度峰值约为13. 4ˑ 10－3g ；

－3

。

表3

有台风3. 227. 4612. 00

－3

有无阻尼器峰值加速度对比/（ˑ 10g ）

回归期/年1510

无TMD

无台风4. 26. 78. 0

有台风5. 713. 3920. 90

有TMD 无台风2. 33. 94. 8

有无阻尼器峰值位移指标对比/m

回归期/年0. 10. [**************]0

无TMD X Y 0. 090. 150. 190. 280. 360. 510. 721. 051. 251. 78

0. 080. 140. 170. 250. 330. 490. 720. 971. 271. 76

有TMD

X Y 0. 080. 130. 160. 230. 300. 410. 580. 851. 011. 39

0. 080. 120. 140. 210. 270. 400. 600. 811. 051. 40

表4

降低比例/%

X Y [***********]22

[***********]21

10年回归期的风致加速度峰值约为20. 9ˑ 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. 2ˑ 10g ；5

－3

年回归期的风致加速度峰值约为6. 7ˑ 10g ；10年回归期的风致加速度峰值约为8. 0ˑ 10g 。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

－3

－3

4

3. 1. 4设置阻尼器的价值分析

建筑结构2016年

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. 0ˑ 10－3g ），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

近期至少年均一次，属于常遇外源性率超过95%，

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10标准（大楼内最多仅有10%的人在即H-高标准，

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

电梯高速长距离运行，大楼晃动会对其产层建筑中，

生不利影响。电梯供应商根据5gal 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

高速长程电梯将停止运行；若设就超过此安全阀值，

10年回归期风荷载引起置阻尼器，根据理论测算，

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。

阻尼器类型被动式阻尼器

（TMD ）半主动式阻尼器

（HMD ）主动式阻尼器（AMD ）

优点

图4上海中心垂直电梯强风管制依据说明及运行程序

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Bloomberg Tower 、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

3

少要达到1200m ，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、

表5

缺点

备注

各类阻尼器的优缺点比较

构造简单、无需工作能源、便于维阻尼效果受质量影响，振动响应范围受限、无法调分系统简单，空间变化

护、造价低、耐用性强节条件较充分可调节以适应结构性质的变化；控

控制系统较因各分系统较多，空间造价和维护费用高于被动式阻尼器、

可以转变为被动式制系统失效时，

复杂变化受限

阻尼器；造价比主动式阻尼器低

同等质量条件下工作性能最佳、可构造系统复杂、造价维护成本最高、依赖外接工作各分系统多，空间变

化适应结构性质变化能源且耗电能较高、耐用性较低受限

不同配重质量阻尼器的效果评估

阻尼器质量/t

[**************]

表7

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，一定年存在产生渗漏的隐限后密封圈可能会因构件变形，

患；3）启动时的静摩擦有随时间增大的趋势，阻尼使用寿器反应能力因而减弱；4）阻尼比无法调节，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

且在长期及均匀耗能尼器存在的上述弊端或隐患，

方面更具优势。黏滞质量调谐阻尼器与电涡流调谐［2］

质量阻尼器的性能对比见表6。

两种TMD 的性能对比

性能使用寿命摩擦阻尼响应条件稳定性、耐久性持续耗能能力阻尼比维护、更换

黏滞质量调谐阻尼器

25年左右较明显且久用后会增大需克服静摩擦力后开始响应

一般一般

设置阻尼器的减振效果

1年风回归期5年风回归期10年风回归期

47%47%46%

46%45%44%

46%45%44%

45%44%43%

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

9永磁材料磁感应强度和矫顽力对比从表8，

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。

永磁材料的磁感应强度B r

表8

［2］

表6

电涡流调谐质量阻尼器一般大于结构设计寿命

因非接触，理论上接近零

即时响应较好

较高

无法调节，长期使用将发生衰减可实现变阻尼，长期稳定阻尼组件尺寸大，更换较困难维护、更换简便

材料铝镍钴钡锶铁氧体钐钴1ʒ 5型钐钴2ʒ 17型钕铁硼

B r /T0. 8 1. 40. 2 0. 440. 85 1. 051 1. 141. 1 1. 52

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：

C =2ξωm

式中：C 为阻尼系数；ξ为阻尼比，可根据电磁原理对磁场和导体的配置进行调整；ω为圆频率；m 为配重质量。

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

阻尼器配重质量适当证目标加速度受控的前提下，

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 ［2］。由此，传统黏滞阻尼器所要求的将1200t 配重质量块被优化到1000t ［2］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1000t 配重质量作为优化方案，从而使得

材料铝镍钴

永磁材料的矫顽力对比

内禀矫顽力

H cj /（kA /m）H cj /Oe40 159

500 2000

表9

磁感矫顽力

H cb /（kA /m）H cb /Oe35 155143 318637 796

480 19501800 40008000 10000

159 3582000 4500钡锶铁氧体

钐钴1ʒ 5型1194 238815000 30000

钐钴2ʒ 17型1194 238815000 30000717 8449000 10600

955 238812000 30000796 111510000 14000钕铁硼1Oe =注：Oe 和kA /m均是内禀矫顽力和磁感矫顽力值单位，

79. 6A /m=0. 0796kA /m。

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，但出于长仍然对所选择的N48H 型烧结钕铁硼表面远考虑，

［2］

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减少了预埋件的数量和尺寸，提高了置进行了优化，施工质量。

4. 3. 2限位保护装置的优化设计

表10

备注无案例支持鲜有案例支持无案例支持鲜有案例支持鲜有案例支持有成熟案例支持

阻尼器限位保护方案利弊分析

保护形式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

优点

构造简单、便于维护、造价低、耐用性强构造简单、便于维护、造价低、耐用性强

可起到缓冲作用，容易更换

可以释放冲击能量，容易更换可以释放冲击能量，容易更换采用高分子材料作为介质，耗能效率高、无初始刚度、耐久性好、容易更换

缺点

产生反冲，不耗能，影响其他功能产生反冲，不耗能，影响其他功能无法吸收冲击能，大直径弹簧设计加工难度大承受高冲击能的产品缺乏试验和认证，风险大

容易渗漏，寿命5 10年，耐久性较差

产品成本略高

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2500年地震荷载作用下，其摆必须采取限制位移幅分别为2. 3m 和2. 8m 。因此，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将大幅度调整设计，且对复杂的冲击力的承受体，

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1000t 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

储存和使用也不方便，上海中心大厦采用了钢缆间，

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

从而在技术控制方面优化了有客观的评判依据，

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。第三方复核采由于采用用了SAP2000和ABAQUS 软件进行验证，

了不同的软件，在同等参数输入条件下，其复核结果475具有独立性和客观性。复验单位首先从50年、2500年重现期地震作用条件下，年、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中震、小震下减震效装置的冲击效应的检验。大震、

［5］

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

小于限位限位环产生的最大撞击力约为7000kN ，系统的最大设计载荷8500kN ；且根据《建筑抗震设

（GB 50011—2010）要求，按照大震分析取7计规范》

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80ʎ 和270ʎ 风向角风荷载作用

设置阻尼器能够有效减小各楼层的加速度响应，下，

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。2500年重现期地震作用为安全设计控制条件。

减震效果汇总

地震响应

基底剪力/kN最大层间位移角顶点位移/m

无TMD 时的大小设置TMD 时的大小TMD 的减震效果无TMD 时的大小设置TMD 时的大小TMD 的减震效果无TMD 时的大小设置TMD 时的大小TMD 的减震效果

X 向平均值

小震[1**********]%0．00110．00109．1%0．4160．35315%

中震[1**********]1．1%0．00220．00209．1%0．820．7113．4%

大震[1**********]00．4%0．00780．00727．6%2．652．524．9%

［5］

表11

表12

减震比

48%48%61%62%67%67%65%65%

2

双向风荷载作用下典型楼层加速度对比/（m /s）

回归期/年11050100

位置顶层TMD 层顶层TMD 层顶层TMD 层顶层TMD 层

80ʎ 风向角270ʎ 风向角

无TMD 有TMD 减震比无TMD 有TMD 0．060．0347%0．050．030．050．230．210．340．320．350．33

0．030．080．080．140．130．160．14

47%64%64%58%59%55%56%

0．050．260．240．550．520．570．53

0．030．100．090．180．170．200．19

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6280kN 。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1962kN ，仅为破断力的

31. 24%。极限状态下，每根吊索的作用力为2233kN ，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3350kN ，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

（JGJ 3—2010）有关抗连续倒塌概土结构技术规程》

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2100kN 的冲击荷

［6］

并考虑设备卸载动力系数1. 2，冲击荷载设计载，

值为2520kN ，与阻尼器维护时的搁置荷载标准值

楼面结构可以承受此冲击荷载。基本一致，

（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

［7］

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。

［7］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

图5阻尼器作用条件下塔冠层间位移角检验

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，永永磁体数量和导体厚度改变磁体与导体间距变化、与变阻尼之间的关系，采用不同永磁材料阻尼器自不同摆动角度下阻尼比的变化程度，由衰减的状态，

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

［2］

图7、表13、表14。分测试结果见图6、

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。

电涡流阻尼器永磁体与导体不同间隙S 下的阻尼比

间隙S /mm阻尼比/%

303. 2

244. 6

205. 9

1310. 4

表13

818. 5

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。

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。

电涡流阻尼器疲劳试验前后阻尼比变化

试验

工况12345

间隙/mm510152025

起始振幅/mm[**************]

疲劳试验前阻尼比/%15．5812．049．016．654．77

疲劳试验后阻尼比/%15．8412．038．996．584．78

表14

变化/%1．67%－0．08%－0．22%－1．05%0．23%

图6电涡流阻尼器小试、

中试和现场测试

与永磁体面积和导体厚度成正比，这一特性成反比，

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，

图7

限位杆电液伺服疲劳试验和阻尼器射频骚扰测试

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但对平均风引起的位移影响较弱。移，

参

考

文

献

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

［2］

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

［1］丁洁民，何志军．上海中心大厦柔性悬挂式幕墙支撑

J ］．建筑结构，2013，43（9）：5-9．结构分析与设计［

［2］电涡流调谐质量阻尼器在上海中心大厦工程应用的

R ］．上海：上海材料研究所，2013．可行性报告［

［3］上海中心大厦项目工程场地地震安全性报告［R ］．上

2008．海：上海波宇地震工程技术有限公司，

［4］上海中心大厦阻尼器概念设计报告［R ］．上海：上海

2010．材料研究所，

［5］上海中心大厦电涡流调谐质量阻尼器减振（震）效果

R ］．上海：同济大学结构工程与防与安全分析及评价［2014．灾研究所，

［6］吴德安，．张煦光，顾怡荪．建筑结构工程师手册［M ］

2005．北京：中国建筑工业出版社，

［7］关于八角框架及TMD 支撑桁架安全性评价报告［R ］．

上海：同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，2014．