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建築抗震阻尼器工作原理

科技 更新时间:2024-12-20 02:23:00

5月18日,有這樣的一個視頻被刷上了熱搜!

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)1

中午12時3分至13時,深圳賽格廣場大樓出現晃動現象,樓内人員開始緊急疏散,盡管現場引導有序,15000人全部安全撤離,并未出現人員傷亡。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)2

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)3

這被視為深圳地标性的建築,高達291.5米的大樓的晃動,除了讓賽格廣場大樓的樓價直接損失了18萬平方米外,還同時讓我們心頭有一個越來越大的疑惑。

如今,世界上的高樓一直不斷向新的高度沖擊,而它們面對的,除了地震外,還經常受到大型台風的影響,那這些建築物怎麼才能保證自己不“随風飄蕩”呢?

這就和我們今天要聊的東西密切相關了

風阻尼器

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)4

在聊風阻尼器前我們先認識一下它,阻尼器其實是一個物理名詞,指的是對力進行衰減和對能量進行消耗,具有緩沖減震的效果,現在我們在阻尼器前面加個風,那就好懂一些了,所謂的風阻尼器就是高層建築應對建築物震動,吸收震波的一種裝置。

如果有小夥伴去過高樓頂部

一定會發現一個現象,那就是高樓其實并不是巋然不動的,而是高度越高就搖晃得越厲害,不過,先把心放回肚子裡,因為這是工程師有意而為之的。

一般來說,在距離地面高度10米處的風速達到5米/秒,在90米的高空,風速就會高達15米/秒,再往上,風力也更加強大,當風速達到10米/秒時,大樓就會産生晃動。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)5

那對于高層建築來說,除了需要“自身硬”的抗風抗震結構外,還需要“四兩撥千斤”的能力,風阻尼器可是不是随便就跟着大樓開始搖晃的,而是在搖搖晃晃中化解了風險。

要知道,沒有安裝風阻尼器的大樓在遇到強風時,很有可能面臨的就是——吹折。

因為高空中的風力極強,當高樓在風阻中受到的力也很大,就會産生傾斜,而此時高樓選擇甯折不彎,隻會承受越來越大的壓力,最後面臨相當嚴重的後果。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)6

而風阻尼器就發揮了它的用處,最常見的風阻尼器是在高層建築靠上部位的樓層裝的一個大鐵球,而這個大鐵球配置了傳感效應,會在台風來襲時檢測建築物的搖晃程度,然後通過計算機控制整個裝置,讓阻尼器随着風吹的方向擺動,通過彈簧和液壓裝置來控制阻尼器,能部分抵消大樓的風吹震動。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)7

簡單來說,就是在遇到較大風力時能減小建築物的搖晃,在實際的運用上,首先要提到的就是台北101,101大廈設置有世界最大的風阻尼器,其外觀為金色球體,直徑達5.5米、重680公噸,它不僅為全球最大,也是全球唯一外露式的,可供遊客參觀的風阻尼器。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)8

台北101大廈的風阻尼器從92層吊下來,像鐘擺一樣抵消台風的風力,用巨大的塗壓式活塞緊緊系在大樓結構上,一旦大樓移動,阻尼器也跟着動,隻不過方向相反,就靠這股抵抗力緩和風勢,活塞讓阻尼器不會過度擺蕩。

高層的阻尼器有很多種實現方式,但大多都是隐藏起來的,像台北101大廈這樣把它公開展示于公衆面前的很少有,于是它也吸引了衆多人慕名去參觀。

在2015年8月8日,台風"蘇迪羅"帶來強風暴雨,不僅使台北101大廈以及觀景台罕見暫停營業一天,台北101大樓内的防震阻尼器擺動幅度達100公分之大,擺動幅度創史上最大。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)9

同樣的,作為中國第一高樓的上海大廈也必須解決“随風擺動”這一問題,總高達到632米的上海大廈,在多方面的設計都考慮了地震和大風導緻的擺動。

首先是它的建築外形,采用的不是通常超高建築的多面體或者三角,而是一個扭曲的複雜曲面形狀,随高度上升每層扭曲角度接近1度,這樣的設計能減緩甚至避免脫體渦流的發生,也就能減緩建築的晃動。

盡管在外形優化後的上海中心大廈将大風引起的晃動降到了最低,但架不住其整體迎風面積達 層高太高的因素,因此晃動仍然是不可避免。

此時,風阻尼器又發揮了自己的功力,“上海慧眼”是上海中心大廈的主動抗風抗震的阻尼設計,但很抱歉這隻是一個藝術表現而已,而真正的抗震抗風設計原理并不在此,真正阻尼位置就在“上海慧眼”的下方。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)10

這個主阻尼器的總質量達到了1000噸,安裝位置是在距離地面584米,位于126層的大樓頂部,2019年8月份的“利奇馬”台風襲擊了上海,這場台風的風力達到了12級以上,使位于上海浦東新區的上海中心大廈也接受了這場台風的洗禮。

大廈中的風阻尼器單邊擺動的極限是2米,因為“利奇馬”的影響,風阻尼器的單邊擺動已經超過了50厘米,瞬間峰值甚至一度達到了70厘米,創下了上海大廈自啟動以來擺動的最大幅度,足以可見阻尼器的威力。

與上海大廈不同,上海環球金融中心則是采用了兩個重達150噸,長寬各有9m的“大家夥”,這兩個風阻尼器的外部是3層藍色的鋼質框架,中間桔紅色的是用鋼索懸吊的重100多噸的配重物,這個配重物是與環球金融中心本身自振頻率相一緻的振動體。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)11

在配重物的下面安裝了驅動裝置,通電後,一旦建築物因強風産生的搖晃可以通過傳感器傳至風阻尼器,此時風阻尼器的驅動裝置,會控制配重物的動作進而降低建築物的搖晃程度,使用了這一裝置之後,能把強風加在建築物上的加速度降低40%左右。

這樣一來,即使遭受強風襲擊,建築内的人也基本感覺不到建築物的搖晃。另外,風阻尼器也可以降低強震對建築物,尤其是建築物頂部的沖擊。

看了這麼多正确案例,我們再回到開始的那個事件,既然風阻尼器在應對強風如此有效,那賽格大樓為何還會發生晃動呢?

經過官方調查結果确定,賽格大樓并沒有安裝風阻尼器,這便一石激起千層浪,細究起來,應該源于當時的設計結構局限,畢竟專業的結構師都給了賽格大廈不差的評價,所以說當時沒有安裝風阻尼器應該也是充分考慮過的。

建築抗震阻尼器工作原理(高層建築的定海神針)12

但這一次的晃動讓我們不禁産生另一個疑問,現在的賽格大廈還能安裝風阻尼器嗎?

實際上風阻尼器的安裝和設計都要與大樓本身的參數高度匹配才行,它的重量一般在大樓重量的1%左右,如此重物并不是你想安裝就能安裝的,且風阻尼器是一個完整的系統,涉及傳感器和自動控制系統。

雖說是否加裝一個确實可能解決此問題,但如何加裝,是否加裝都還是一個值得考量的問題,現在,阻尼器在很多行業和領域都有廣泛的應用,例如汽車上安裝阻尼器能有效減少車體的振動,在發生碰撞時也能在抵消一部分的動能,減少車内的晃動,保證人員安全。

後來,才慢慢将阻尼器用于建築物的減震效能上,風阻尼器除了在強風來臨時減少樓體晃動,還能在地震時起到一定的作用,它能降低強震對建築物頂部的沖擊,随着科技的發展,風阻尼器的使用也将日漸普及。

我們的生活隻會越來越安全,也越來越向前!

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