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“硬刚” 14 级台风！TA能救摩天大楼？

转自：上海杨浦 2024-09-24 19:15:07

“摩羯”前脚刚在海南上房揭瓦，

“贝碧嘉”又在长三角翻箱倒柜。

位于上海中心大厦第125层，重达千吨的“慧眼”阻尼器，作为大楼的“定海神针”，在台风侵袭时产生大幅度的摆动（摆幅超过一米）。

阻尼器开始工作了

台风来临的时候，大楼真的会晃动吗？重达千吨的阻尼器又发挥了什么作用呢？

01

摩天大楼:不只是台风

地震期间，平常也晃

在极端气象条件如台风和地震的侵袭下，摩天大楼会因其所承受的风荷载（风对建筑结构施加的力）和地震动作用而产生周期性的动力变形，这种变形通常被我们所感知为“摇晃”。这是结构物在受到外部动力作用时的一种必然现象，振动是不可避免的。

事实上，即便在平常的日子里，摩天大楼也会经历细微的振动，只不过这些振动的幅度微小到几乎无法被人类察觉。然而，在遭遇台风或地震等强烈外力作用时，大楼的振动幅度会显著增加，变得更为显著。摩天大楼的“摇晃”是一种有效的能量耗散机制。通过适度的摇晃，大楼能够消耗掉由台风和地震带来的巨大能量，从而减轻对建筑物结构的冲击和破坏。

显然，仅凭台风天气下大楼的摇晃现象就断定其为“豆腐渣工程”是缺乏科学依据的。在大楼建设之初，工程师们便会进行详尽的结构设计，这一过程充分考虑了建筑物所处的地理位置、可能遭遇的地震和台风等自然灾害因素。他们通过精确的计算和模拟，力求减少大楼在这些外部荷载作用下的响应，确保结构的安全性和稳定性。

特别是在沿海等强风地区，风荷载往往成为结构设计中不可忽视的关键因素。为此，工程师们会采用专门的抗风设计策略，这些策略不仅要求结构具备足够的强度和刚度以抵御强风，还会关注结构的舒适度和抗疲劳破坏能力，确保在极端风况下，大楼既不会倒塌也不会产生过大的位移，从而保障人员安全和财产安全。

你可能会疑惑，为什么身处大楼内的自己在台风天感觉不到摇晃呢？

这主要得益于结构设计中对振动加速度的有效控制。振动加速度是影响人体舒适度的重要因素之一，通过合理的结构设计，工程师们能够限制结构在风荷载作用下的振动加速度，使其处于人体难以察觉的范围内，从而确保居住和工作的舒适性。

人体振动舒适控制界限＊1 gal = 1/100 m /s^2。

当一栋楼的振动加速度达到 0.15 m /s^2 时，在楼内的人们才会感受到建筑物的摇晃。

02

阻尼器:风不动，我不动

风往南动，我往北动

若单纯依赖结构物的自身变形来抵御台风与地震的侵袭，势必需要在建设过程中大幅增加成本，以提升建筑物本身的性能，这种做法会造成材料资源的无谓浪费。

为了更高效地应对这一挑战，工程师们引入了阻尼器这一创新装置。阻尼器能够巧妙地吸收或消耗由台风和地震所带来的巨大能量，从而显著减轻结构物的振动幅度，保护其免受破坏。

阻尼器一般可分为两种类型，分别为耗能阻尼器和调谐阻尼器。

1.耗能阻尼器

从能量的角度看，台风或地震向建筑物传递的能量是恒定的。在这一前提下，耗能装置所承担的能量耗散任务越重，意味着结构本身所需应对的能量负荷就越轻。耗能阻尼器正是基于这一原理而设计的，它能够有效减轻建筑物的振动。

以马来西亚吉隆坡的国油双峰塔为例，这座地标性建筑便巧妙地运用了耗能阻尼器。其通过两栋大楼之间的空桥作为连接桥梁，在空桥与大楼的连接点处安装了耗能阻尼器，这些装置在遭遇地震或台风等自然灾害时，能够迅速进入非弹性状态，从而大量吸收并消耗地震或风振所带来的能量，有效减轻了结构整体的振动幅度，保障了建筑物的安全与稳定。

2.调谐阻尼器

调谐阻尼器技术则另辟蹊径，通过引入一个独立的子结构，将建筑物在台风或地震中产生的能量巧妙地转移至该子结构上。这些子结构，往往重量惊人，可达数百吨。当强风或地震导致大楼发生侧向偏移时，调谐阻尼器也会随之启动，其内部的惯性运动机制会促使阻尼器向与大楼运动方向相反的方向移动。

根据子结构的具体形式，调谐阻尼器可分为两大类：调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper，简称TMD）和调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Damper，简称TLD）。

其中，调谐质量阻尼器（TMD）因其对高层建筑结构振动控制效果显著、对建筑内部功能影响小、成本相对较低、占地面积小且便于安装、维修和更换等优点，在高层建筑结构风振控制领域得到了广泛应用。

一、上海中心大厦

上海中心大厦的这颗重达千吨的“慧眼”就是电涡流调谐质量阻尼器，是我国的一项创新技术。它是目前世界上最重的阻尼器，重量约占大厦的  0.118%，由 12 根长达 25 米的钢索吊在大厦内部，单边摆幅极限为 2 米。当强风来袭时，这个巨型复摆会摆向风吹来的方向，凭借自身的摇摆来减弱大厦的晃动幅度。

二、深圳平安金融中心

在“山竹”台风中，深圳平安金融中心作为深圳第一高楼，能够在强烈台风的作用下保持完好无损，主要也在于其内部安装的两个调谐质量阻尼器通过惯性运动吸收了大量能量，这两个阻尼器分别重达 500 吨，被放置在大楼的 114 层。据报道，其阻尼球在狂风中的摆动幅度达到 2 米。

三、台北 101 大厦

2004 年建成的台北 101 大厦，在 87 层和 91 层之间安装了一个重达 662 吨的风阻尼球。八根重量高达 20 吨的钢缆环绕球的底部，将阻尼球和主体结构相连，在阻尼球的下方，另设置有八根水平向和八根斜向黏弹性阻尼器。

风阻尼球是大楼抗风防震的主要结构之一。在 2013 年的“苏力”台风中，阻尼球产生惯性运动，摆动幅度达到 70 厘米，阻尼器大量吸收了台风所带来的振动能量，极大地减少了台北 101 大厦在强台风中的摆动量。

调谐质量阻尼器在 101 大厦中的布置情况

重达 662 吨的阻尼球

在狂风和地震面前，阻尼器之于摩天大楼好比定海神针般的存在，它保护大楼的安全，也给人们吃下颗定心丸。

编辑：李玲

资料：科普中国

*转载请注明来自上海杨浦官方微信