1. 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在高層建筑中的作用
單擺的金色大圓球的正確名稱為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned mass damper，簡(jiǎn)稱TMD）。該阻尼器的功能主要是用來減緩因強(qiáng)風(fēng)在建筑上部所造成的振動(dòng)舒適性問題（與樓層的峰值加速度相關(guān)而與層位移無關(guān)）。根據(jù)相關(guān)研究顯示，當(dāng)樓層加速度達(dá)50mm/s^2時(shí)，部分人群會(huì)開始感覺到建筑物的擺動(dòng)因此感到不適。所以臺(tái)灣規(guī)范規(guī)定：在回歸期半年（一年發(fā)生兩次）的風(fēng)力作用下，建筑物頂層加速度響應(yīng)峰值不得超過50mm/s^2。
2. 調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的工作原理：
調(diào)質(zhì)阻尼器的工作原理圖如下：
圖中m1、k1和b1分別表示主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼。而TMD則由質(zhì)量塊/振子（質(zhì)量m2，提供慣性力），彈簧（剛度系數(shù)k2，提供回復(fù)力）與阻尼（阻尼系數(shù)b2，提供能量耗散機(jī)制）共同組成。
TMD的工作原理為：通過將TMD自身的頻率調(diào)整接近主結(jié)構(gòu)的控制頻率（對(duì)高層建筑而言，該控制頻率一般為其基頻/第一頻率），當(dāng)風(fēng)力作用使主結(jié)構(gòu)的主要頻率被激發(fā)時(shí)，TMD會(huì)因振子的慣性和彈簧所產(chǎn)生的回復(fù)力產(chǎn)生與主體結(jié)構(gòu)反向的共振行為。在振動(dòng)過程中，主結(jié)構(gòu)上一部分能量將轉(zhuǎn)換為TMD振子的動(dòng)能，一部分轉(zhuǎn)換為彈簧的彈性勢(shì)能，而剩下部分則通過TMD的阻尼器耗散。關(guān)于這種反向共振行為，請(qǐng)參考下gif圖中最右側(cè)的動(dòng)畫。其中，藍(lán)色方塊代表主結(jié)構(gòu)，紅色方塊代表TMD振子。
之所以說高層建筑的控制頻率一般是其基頻，是因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下，不論是順風(fēng)向（抖振）還是橫風(fēng)向振動(dòng)（渦振），響應(yīng)都主要來自于結(jié)構(gòu)的一階受迫振動(dòng)，來自結(jié)構(gòu)高階的響應(yīng)可以忽略。
單擺式的TMD，其工作原理完全一致。唯一的區(qū)別在于：以上TMD的回復(fù)力由彈簧提供，而單擺式TMD的回復(fù)力由質(zhì)量塊的重力所提供（類似家里的老式掛鐘）。當(dāng)單擺的振幅較小時(shí)，其自振周期T為（其中L為擺長，g為重力加速度）：
下圖中，位于質(zhì)量塊下方的八支斜向布置的大型油壓粘滯性阻尼器用于吸收、耗散質(zhì)量塊在擺動(dòng)時(shí)的動(dòng)能。而球體正下方的緩沖鋼環(huán)則通過八支水平向布置的防撞油壓式阻尼器固定，主要用于防止質(zhì)量塊擺幅過大。
3. TMD對(duì)主結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的改變：
從本質(zhì)上講，TMD之所以可以控制高層建筑的動(dòng)力響應(yīng)（如位移、加速度等），是因?yàn)橹鹘Y(jié)構(gòu)在加裝TMD后在控制頻率處的動(dòng)力特性發(fā)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）。下圖為不采取減振措施和采取減振措施后（加裝TMD和TMDI）的頂層橫風(fēng)向加速度頻響函數(shù)絕對(duì)值圖（僅繪出了基頻0.186Hz or 1.166rad/s附近）?？梢钥吹?，加裝TMD和TMDI后，該高層在基頻處的頻響函數(shù)絕對(duì)值大幅降低。由于線性系統(tǒng)的輸入（風(fēng)激勵(lì)）與輸出（結(jié)構(gòu)響應(yīng)）譜密度間極其簡(jiǎn)單的線性關(guān)系式（頻響函數(shù)），頻響函數(shù)絕對(duì)值的降低也意味著結(jié)構(gòu)在該頻率處響應(yīng)的降低。要更好地理解這一部分內(nèi)容，可以參考結(jié)構(gòu)動(dòng)力與隨機(jī)理論與譜分析方面的教材，這里只講這么多。
4. 還有哪些高層采取了類似的振動(dòng)控制裝置：
例子實(shí)在太多，就僅舉兩個(gè)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(diào)諧慣質(zhì)阻尼器 / TMDI：
通常，風(fēng)阻尼器要達(dá)到理想的振動(dòng)控制效果，其振子質(zhì)量一般需要達(dá)到主結(jié)構(gòu)質(zhì)量的0.5%~1.0%左右。對(duì)于超高層而言，這是一個(gè)非常大的質(zhì)量。如上海環(huán)球金融中心風(fēng)阻尼器300噸，臺(tái)北101大廈阻尼器660噸，上海中心大廈阻尼器更是達(dá)到1000噸。顯然，將如此重的減振裝置置于高層結(jié)構(gòu)的頂層是非常不利的（不僅經(jīng)濟(jì)性差，還使得超高層P-delta效應(yīng)加劇等）。
我們課題組通過與英國Bristol、意大利Sapienza University of Rome等高校合作，嘗試將已成功應(yīng)用于F1賽車懸掛系統(tǒng)的Tuned Mass Damper Inerter（暫翻譯為“調(diào)諧慣質(zhì)阻尼“）應(yīng)用于高層結(jié)構(gòu)。從目前針對(duì)數(shù)棟高層建筑的數(shù)值分析結(jié)果來看，對(duì)于風(fēng)致振動(dòng)，如采用同樣質(zhì)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(dá)到同樣的減振效果，TMDI所需的振子質(zhì)量可以縮減至傳統(tǒng)TMD的60%，甚至更少！與TMD不同的是，TMDI甚至可以降低高層結(jié)構(gòu)的高階振型響應(yīng)，且對(duì)調(diào)諧不如TMD敏感（即當(dāng)它的頻率與控制頻率有一定差別時(shí)，仍能起到很好的減振控制效果）
