振动控制技术：为超级工程保驾护航

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　　作为连接香港、珠海和澳门的超大型跨海通道，港珠澳大桥集桥、岛、隧道于一体，全长55公里，是世界上最长的跨海大桥。因其创下了桥梁建设史上的多项第一，而被业界和媒体誉为中国乃至世界上最具挑战性的建设项目之一。

　　而当人们普遍的关注点都放在这座跨海大桥的诸多“世界第一”上时，却不知道它也是中国桥梁建设史上设计施工难度最大的跨海桥梁。在设计建造过程数不清的技术难题中，桥梁的“减震”和“减振”即是其中之一。

　　说起桥梁减振，人们不禁会想起网上广为传播的美国塔科马峡湾大桥被大风吹垮的视频。1940年11月7日早上，跨度为850米的美国塔科马峡湾悬索大桥遇到了一场时速为60~70km/h的大风。随后，大风引发了桥梁的扭转共振。人们束手无策，只能眼看着大桥扭转晃动的幅度越来越大。两小时后，这座刚刚建好半年的特大桥被风吹垮。

　　从那以后，土木工程师们就开始研究风激振机理和各种桥梁建筑的振动控制技术。而如今，在我国科技工作者的共同努力下，我国的振动控制技术已经居于世界前列。

　　以柔克柔 TMD护驾超级工程

　　TMD的全称为“调谐质量减振器”，是目前大跨度、大悬挑与高耸结构振动控制中应用最广泛的结构被动控制装置之一。

　　TMD是一个由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动控制系统，支撑或悬挂在需要振动控制的主结构上。当主结构在外界激励力的作用下产生振动时，会带动TMD系统一起振动，通过频率调谐，使TMD系统运动产生的动力再反作用到主结构上，使其与外来激励力的方向相反，抵消一部分激励力，使主结构的各项反应值(振动位移、速度和加速度)大大减小，从而达到控制主结构振动的目的。TMD的质量越大，减振效果越好。

　　如果说隔振技术是以柔克刚，TMD技术则是以柔克柔。TMD的主要结构型式分为抗垂向振动和抗水平振动两种。在应用中，工程人员需要具体问题具体分析，根据所要控制的振型来决定使用哪一种结构。早在港珠澳大桥之前，TMD技术在我国就取得了广泛的应用。

　　以千禧桥为代表的大跨度或者悬挑结构，如人行天桥、体育看台和大型桥梁等，在交通或人行激振下往往会产生共振。尽管这些振动对结构本身强度并无多大危害，但却会大大影响行人或者工作人员的舒适度。这时，抗垂向振动的TMD就会大显身手。

　　2007年，浦东机场二期在国内率先设计采用了一种非常新颖的登机桥。这种登机桥登机和下机都是顺坡，且长达50米的登机桥中间没有任何立柱或接头，轻巧而美观。但是，这么优美的登机桥在技术上还有一个难题必须解决，即人行激励引发的共振问题。这座桥的固有频率约为2.2Hz，与人的行走频率非常接近，两个人同步行走就会引发登机桥的共振，使人感到心慌。为此，登机桥设计者委托隔而固公司尹学军团队设计研发了专用的抗垂向振动TMD。

　　TMD工程有一个规律，那就是TMD的频率调得越准，阻尼比越合适，减振效果也越好。但是桥梁最终完成之前，光靠理论计算的频率值是不准确的。

　　为了实现最大的减振效果，尹学军带领团队设计研发了一种频率和阻尼均可现场精确调节的TMD，并赶在成桥铺装时，在登机桥上进行精确测试，然后根据登机桥的频率现场调节TMD的频率和阻尼比。

　　利用这项技术，他们为23座登机桥安装了92个TMD，每个TMD约重750千克。减振效果测试表明，减振效率最高达到了80%。多年来，即使廊桥里人们鱼贯急速行走，登机桥的舒适度也在国家标准之内。之后，这项技术陆续在虹桥机场登机桥、虹桥高铁站廊桥以及全国的许多跨街天桥中得到应用。

　　2010年4月30日晚，世博会开幕式在世博文化中心隆重举行。入场式上，黄浦江上彩旗飘扬、百舸争流，一场现代的“春江花月夜”令各国来宾流连忘返。同时，黄浦江岸上两座富有特色的巨型建筑也给人们留下了深刻的印象。

　　一座是号称“东方之冠”的中国馆，其以红色栋梁层层出挑的主体造型显示了现代工程技术的力学美与结构美，凸显了东方文明大国的庄严;另一座就是举行开幕式的文化中心，其现代化的造型犹如一个巨型飞碟静悄悄地飘落在黄浦江岸边。

　　但人们不知道的是，这座大飞碟背后就有TMD技术的支持。由于飞碟的观景环廊向外悬挑了30多米，当人群密集或快速行走时，仿真分析发现舒适度会略有超标。为此，工程设计者们选用了TMD技术。

　　为了实现最高的减振效果和精确调频，尹学军采用了三种不同刚度的弹簧组合，并带领团队现场调试，根据实测频率精调TMD频率和阻尼比，圆满地完成了任务。文化中心项目总建筑师汪孝安亲临调试现场体验之后，对技术团队一丝不苟的科技工匠精神给予了高度肯定。

　　在此之后，广州亚运综合馆等多个大型工程也都成功采用了垂向TMD减振技术。

　　2012年11月，我国长江最东端的江苏崇启长江大桥开通。大桥主桥钢箱梁跨度185米，竖向固有频率仅约0.56Hz，在风荷载激励下容易产生塔科马大桥那样的竖向涡激共振现象。

　　为了控制这种振动，尹学军团队为大桥4个185米主跨总共设计安装了32个TMD减振装置，单个质量达3.6吨。大桥TMD系统启用以来，经过了多次大风考验，主桥连续钢箱梁从未产生过涡振。TMD技术的使用，不仅为崇启大桥的安全运行提供了技术保证，也为控制大跨度桥梁涡激振动提供了宝贵的经验。

　　另外一种需要TMD“呵护”的则是各类高耸结构。观光塔、摩天大楼、电视塔和烟囱等在风力涡激的作用下也会产生水平振动，使主结构长期振幅过大，从而影响人们的舒适度。我国科技工作者在该领域进行了大量的创新。

　　2010年9月29日，世界第一高的电视观光塔——广州塔宣布落成。总高达610米的广州塔(俗称“小蛮腰”)矗立在广州新城市中轴线上，成为广州的新地标。然而不为人知的是，这座塔就有TMD的保护。

　　为了控制观光塔的振动，中国工程院院士周福霖和欧进萍领导的联合减振科研团队对广州新电视塔进行了减振技术研究，国内首创地在塔体438米处安装了“两级主被动复合调谐减振控制系统”，巧妙地利用总重1500吨的水箱质量作为TMD质量，节省了专用质量和空间，并利用叠层橡胶支座超低的水平刚度构成无摆索式水平TMD。

　　该系统完全由我国专家自主设计，大大降低了成本，并大幅提高了减振效果，至今在世界上独一无二，经受韦森特、天兔等超强台风的考验也丝毫未损。

　　2010年12月，杭州湾大桥观光塔落成，人们争相登塔赏景。观光塔位于杭州湾跨海大桥中部海上平台，建筑高度145.6米。由于该地段的风速较大，而塔体的固有频率较低，容易发生风致共振。为了提高观光塔观光平台的舒适度，保证在八级风的条件下观光塔仍能够正常向游客开放，隔而固公司尹学军团队中标完成了观光塔TMD的研究设计和制造。

　　针对观光塔的特殊结构和嵌固条件，项目研究团队利用有限元仿真计算了结构的动力学特性参数，并据此设计了频率和阻尼均可调的、质量为100吨的TMD水平减振系统。在这项技术的保护下，观光塔屹立于海浪海潮中历经多次台风暴雨而安然无恙。由于观光塔当时就安装了先进的振动在线监测系统，至今已为TMD设计积累了大量的宝贵工程数据。人们无论在何地，通过因特网或手机，都可以实时观测塔体及TMD质量块的振动频率，尤其是在台风来临时。

　　2016年3月12日，设计高度达632米的中国第一高楼——上海中心大厦建筑总体正式全部完工。为了降低风致振动造成的大楼摇摆，上海中心采用了1000吨的水平摆式TMD，其中的阻尼器采用了中国工程院院士陈政清团队研发的电涡流阻尼系统。

　　该系统创造性地利用电磁原理，节省了400多平方米的空间，在世界上首次将电涡流阻尼应用于超大型高耸结构振动控制。而这个被称为“上海慧眼”的云端也将成为全国最高的以振动控制为主题的科普教育基地。

　　让我们再回到港珠澳大桥项目。港珠澳大桥地处台风多发地区，为了控制台风引发的桥梁共振，大桥的设计者们经过大量的仿真分析，为其设计了现代化的TMD减振系统。由于桥梁跨度大，桥梁的固有频率低，TMD在技术设计上非常具有挑战性。

　　有了崇启长江大桥、世博文化中心等超级工程的经验，尹学军团队凭借强大的研发实力和精心准备的计算设计方案，赢得了业主评审专家的信任，中标了港珠澳大桥92个大型垂向低频TMD的设计制造工程。

　　垂向低频TMD的设计难点之一在于弹簧的压缩量与频率的平方成反比，频率越低，弹簧越长，而TMD是放在桥梁的箱梁内部，高度是有限的。国内外其它公司为了回避此问题，一般采用压缩弹簧和导向轴承，而轴承因为摩擦磨损需要定期更换。对于设计寿命120年的港珠澳大桥来说，不仅会产生一大笔额外的维护费用，还会因为摩擦而影响减振效率，甚至失效。

　　为了打造世界一流的大型桥梁TMD技术，为港珠澳大桥抗台风保驾护航，尹学军团队迎难而进，设计了预紧式弹簧，节省了弹簧长度，使TMD不仅可以满足桥箱梁的空间要求，还无需轴承导向，从而从技术原理上做到了免维护。

　　为了验证TMD的设计寿命，研究团队还根据评审专家的建议，仅用一个多月的时间，就研制出了专门的大位移共振式TMD整机疲劳试验装置，在世界上首次实现了对“5吨-0.8Hz-振幅±300mm”的大型低频TMD的整机疲劳试验。最终，TMD经过300万次疲劳试验，通过了专家组的首件验收，也令德国同行对中国人的创造力和研发速度刮目相看。目前，港珠澳大桥已经合龙，TMD正在安装过程中。

　　此外，港珠澳大桥工程组和设计团队与周福霖院士领导的团队一起，还对这座世界上最长的有地震断层穿过的跨海大桥，进行了详细的减隔震理论分析和试验研究，利用减隔震技术解决抗震难题，在桥梁和桥墩间设计了大型隔震支座。每个桥墩顶分开两个挑梁，挑梁上安装着不同类型的隔震装置，包括橡胶隔震支座、盆式摩擦滑板隔震支座等。

　　在广大科技工作者的努力下，我国大型建筑及结构工程TMD减振技术的研究与应用不断创新，总体上已经走在世界前列。专家们坚信，有TMD和隔震支座等多项世界一流的技术保驾护航，港珠澳大桥将成为世界上最安全的跨海大桥。

　　当建筑遇上振动干扰

　　伴随着我国现代化进程一路高歌猛进，城市建设的步伐也越来越快。随之而来的，是越发拥挤的城市用地和地上地下错综复杂的交通网络。

　　这就不可避免地为城市居民带来一些困扰和烦恼：当邻近地段有地铁或其它铁路线，当附近区域有工业企业的重型机械工作，当邻近的不平坦道路与桥梁上有重型车辆通过……这些情况下地面或结构传递的振动，已经对建筑物中的居民和精密仪器产生了严重影响。

　　然而棘手的问题在于，常规的基础并不能防止周围的振动干扰传递到楼房内，减小振动源振动的措施往往效果有限。通过调整楼房结构而降低振动的措施在大多数情况下都是不经济的，而且还有可能影响建筑美学。

　　那么，怎样才能保证既能在上述地段建造居民区、办公楼、旅馆、音乐厅、会议中心或放置对振动敏感的现代化设备，又不会对人、机器或楼房本身产生任何危害呢?这几乎成为了困扰城市建造者们的一大难题。

　　为此，世界各国的工程师们可谓绞尽脑汁。早期有在传递路径挖防振沟或打防振排桩等措施，这虽然对中高频振动是有效的，但是对于振动波长达20多米的低频振动，即使20米深的防振沟效果也极其有限。

　　当今，行之有效的措施当属三维隔振技术，即在建筑和基础之间设置由三维弹性隔振器和粘滞阻尼器构成的隔振层。

　　三维弹性隔振器由螺旋钢弹簧与钢结构箱体组成，其在垂向和两个水平方向都具有很好的弹性，一般情况下隔振系统固有频率为2.5~5Hz，能够大幅衰减振动传递，从而使得各项振动指标满足使用要求。与弹簧隔振器一同“守护”建筑物的是粘滞阻尼器，这是一种与速度成比例的粘性元件，其同样在垂直方向与水平方向上都有阻尼作用。

　　传承经典，创新在变。在不断的实践总结与探索中，我国科技工作者通过自己的工匠精神与精益求精，将三维隔振技术及应用不断研究创新，服务于国家建设，尤其是一些国家重大工程。

　　“房中房”隔振又隔声

　　对于众多文化艺术爱好者来说，天安门广场西侧的半椭球形建筑一定不会令人陌生。它就是被誉为中国国家表演艺术最高殿堂的国家大剧院。

　　作为新北京十六景之一的地标性建筑，国家大剧院造型独特的主体结构，一池清澈见底的湖水，以及外围大面积的绿地、树木和花卉，不仅极大改善了周围地区的生态环境，更体现了人与艺术、人与科学、人与自然和谐共融、相得益彰的理念。

　　其中，这份人与科学的和谐统一，就离不开现代减振科技的支持。

　　2007年，由于受到周边地铁、舞台机械以及空调系统等环境振动的影响，国家大剧院的设计者决定对5个录音厅进行隔振设计。隔而固公司尹学军团队凭借技术实力，赢得了该项研制任务。他们对国家大剧院录音厅的整体结构进行了细致的调研与分析，在充分考虑到录音厅设计既要隔振又要隔声的特殊需求后，尹学军提出了一种“房中房”的结构。

　　所谓的“房中房”隔振，就是在录音厅房间内，再设计一个六面体房间，通过三维弹簧隔振器支承在原来房间地面上，其余五面与外部结构无接触。这样的结构在施工工艺上非常特殊，为了避免钢弹簧特有的固体传声导致的高频失效问题，研究团队设计采用了一种既能隔振、又能隔声的弹簧隔振器。

　　起初，研究团队设计的系统固有频率为常用的4Hz，后来根据设计单位、声学顾问、业主和中方设计院的要求，研究团队本着精益求精的精神，进一步将系统固有频率修改为3Hz，提高了减振效果。

　　为了研究和验证所选弹簧的减振效果，研究团队在清华大学建筑物理实验室进行了弹簧减振实验及固体声试验。实验结果证明，弹簧隔振器采用子母簧、阻尼器、防高频失效措施等多项技术，在单个弹簧支撑10吨的条件下，“房中房”浮筑结构的撞击声声压级为32dB，与刚性支撑的撞击声声压级78dB相比，可降低振动噪声46dB，是目前隔振效果最好的浮筑系统测试记录。

　　上海东方艺术中心采用的则是“浮置地板”隔振技术，这是一项相对简单、性价比很高的技术。与“房中房”结构类似，浮置地板是在楼板上再设置一层地板，用弹簧予以弹性支承，只是弹簧巧妙地隐藏在地板之中，不占用地板高度。

　　浮置地板可以大量应用于振动敏感区域，如电视、广播或者录音棚、音乐厅、排练厅、剧院、计算机房等需要安静的场所，也可以用于体育馆、迪斯科舞厅、供热站、空调机房等受振动噪声干扰的场所。同时，浮置地板还有一些特殊的应用领域，如直升机的着陆机坪以及核电站精密仪器房间等。

　　目前，这些技术正在使越来越多的百姓受益，为社会创造更多的宁静与和谐。

　　艺高人胆大 隔振护航“平移屋”

　　2004年，一则消息震动了中外建筑界：有着74年建筑历史的上海音乐厅成功平移66.46米，为我国首次规模最大的文物保护建筑平移工程画上了完美的句号。

　　66.46米，在普通人眼中，这只是一两分钟的距离，但对这座已步入古稀之年的上海音乐厅而言，跨越这段距离不亚于一次长征。虽然困难无比，但它却有着不得不移的“苦衷”。

　　由于上海音乐厅紧靠上海市车流量最为繁忙的延安路，噪音、尾气无不侵蚀着这座已届高龄的近代建筑，因此造成的噪音更影响了高雅艺术欣赏场所的正常演出效果。加之上海音乐厅又处在2002年上海市政府的市中心综合改造规划中，“动”，成为了唯一的选择。但鉴于上海音乐厅作为上海市代表性建筑和市民常年音乐活动中心的特殊地位，市政府听取了专家的意见后，最终提出了以“平移”代替拆除的大胆设想。

　　平移成功后，一个更大的技术难题出现了。平移后的上海音乐厅虽然解决了附近环境噪声的干扰，但是由于平移后与地铁1号线的距离又近了不少，地铁经过时产生的噪音对于音效要求甚高的音乐厅而言，无疑又是一个困扰。

　　如果不采取隔振措施，地铁运行时产生的振动和噪声就会通过土壤向上传播，再通过固体传声和墙体的反射，影响到观众席和舞台部分。如此一来，观众可能欣赏到的不是优美的音乐，而是地铁运行产生的轰隆的噪声，这将大大影响音乐厅的使用功能，并且后期无法补救。因此，有效隔离地铁运行所产生的振动，满足音乐厅观众席的使用功能，成为了音乐厅平移后所要面对的首要问题。

　　尹学军根据现场考察和音乐厅的声学要求，结合其特殊构造和建筑材料特性，凭借其工程经验，大胆地提出了仅对一楼观众席整体三维隔振的方案。这个方案虽然简单经济，但却需要承担很大的责任，一旦噪声不达标就会非常棘手。

　　面对如此艰巨的托付，隔而固人丝毫不敢怠慢，立即抽调精兵强将组成攻关小组。为了避免达成声桥，团队决定将观众席楼板与四周墙体在结构上完全断开，将观众席楼板支撑在12根横梁上，每根横梁的两端设置弹簧阻尼隔振器，共选用24个，每个弹簧隔振器设计承载40t，弹簧静态压缩量为20mm，竖向固有频率3.5Hz，可以对频率范围在20~20000Hz之间的高频地铁振动信号进行有效衰减。

　　项目完工后，上海音乐厅方面组织了国内的声学专家对整个观众席的建筑声学进行了测试和鉴定。杰出的声学效果让包括业主在内的所有参与专家都如释重负，各项测试结果均表明，音乐厅的各项建设技术指标都达到并优于预期要求，观众席区听不到任何地铁运行的噪声，背景噪声比平移前降低了13分贝。专家们一致认为，隔而固此次采用的将池座观众席整体浮置的隔振技术，在隔绝地铁振动影响方面达到了满意的效果。

　　尽管这次在技术上走了一步“险棋”，但隔而固人又一次不负众望，为业主节省了大量不必要的资金。

　　整体浮置“开先河”

　　独立拥有顶级品质的音乐厅，是每一个世界级交响乐团的光荣与梦想。2009年，以打造中国乃至世界最好的演艺厅和录音室为目标的上海交响乐团音乐厅项目正式启动，世界级建筑声学大师丰田泰久和后现代主义建筑大师矶崎新宣布加盟其中，力求使建筑设计完全服从于声学设计，在声学上达到完美。

　　事实上，音乐厅的声学设计也的确趋于完美：大厅内6块巨大的反声板和天花反射板、墙面与地面精雕细琢的材料、反复试验所得的座椅布置，使得演出厅每一个位置都能达到均衡的音质与完美自然的混响效果，恰当地将指挥家、演奏家对音乐的情感传递给每一位观众，达到最佳的声学体验。

　　但是，即便内在的声学设计已经达到极致，但却仍然存在无法回避的环境因素。

　　音乐厅新址位于复兴中路，虽然地理位置十分优越，但是此处临近上海地铁10号线，地下建筑部分离地铁最近的地方仅仅7米，这对一座音乐厅来说近乎是噩梦——每辆隆隆穿梭的地铁都会直接影响音乐会的声效。为此，设计团队和声学大师与尹学军团队展开了合作研究。

　　尹学军亲自带领团队进行现场实地考察、测试，利用现代化的分析软件进行仿真分析，与音乐厅和设计院等相关单位充分讨论后，提出了一个堪称大胆的方案——将两座总重26000吨的音乐厅整体悬浮于弹簧隔振器之上!

　　这个想法听起来实在有些异想天开，可是尹学军团队却充满信心。因为他们已经完成了许多近万吨重的汽轮发电机组基础三维弹性隔振工程，这些工程还有高速旋转的汽轮机引发高频振动的动力问题，在技术上更加复杂。

　　“我们用为上海交响音乐厅量身定做的约300只大型弹簧隔振器，将总重达26000吨的大小两座音乐厅全部弹性支承起来，也就是使建筑“悬浮”在300只大型弹簧隔振器基础之上。”尹学军说。

　　由于地铁运行以及公路交通产生的振动被弹簧隔振器高效隔离，不会在音乐厅内产生振动噪声影响，因此，这项开先河的“钢弹簧整体浮置”技术既能隔振、又能隔声，从而保证了音乐厅的最佳声学效果。而这些“神奇弹簧”的支撑也使音乐厅成为了中国第一座名副其实的“全浮”建筑。

　　2014年9月，上海交响乐团建团135年音乐会在新落成的上海交响乐团音乐厅作为开幕首场演出成功举行。当著名钢琴家郎朗演奏的《第一钢琴协奏曲》的最后一个音符缓缓飘落时，观众席上爆发出长久而热烈的掌声。

　　生态而时尚的建筑、高品质的声学效果、余音绕梁的音乐，这一切给听众留下深刻印象的同时，更诠释出隔而固人用科学服务艺术的理念与初衷。

　　“音乐厅首演大获成功，未受到地铁及环境交通所产生的影响，达到了完美的音质效果与听觉体验。尹学军博士主持设计研发的‘钢弹簧整体浮筑’隔振技术起到了关键性技术贡献。”上海交响乐团在应用证明中这样评价隔而固的贡献。

　　如今，为了向广大听众和市民宣传这个科学为艺术服务的典范，上交音乐厅特意将地下室设计成为可以参观的场所，宾客可以来这里参观，近距离观摩这项艺术杰作及其背后的隔振技术。

　　隔振从不是一个遥远而陌生的概念，它早已融入我们日常生活的方方面面、点点滴滴。

　　当你从天桥上通过马路，当你穿越登机桥进入机舱，当你站在观光塔顶鸟瞰万里碧波，当你俯身看台为喜欢的赛事助威呐喊，当你站在摩天楼顶放眼车水马龙，当你坐在高雅的音乐厅中聆听气势恢宏的交响乐演奏，当你徜徉在古老而迷人的建筑群中……科技在改变生活，科技在服务人类，虽然它潜移默化，但它却无处不在。

　　来源：《科学新闻》(科学新闻2016年7月刊 领域优势)
　　作者：林落

生来糊涂虫

减隔震技术一直在身边，以柔克刚，以柔克柔！