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當(dāng)強風(fēng)來襲阻尼器是如何讓摩天大樓穩(wěn)如泰山

2021-07-30 13:05:11 來源：科技日報

今年第6號臺風(fēng)“煙花”來勢洶洶。7月25日，“煙花”逼近上海，全市普降大雨，黃浦江兩岸更是狂風(fēng)暴雨。此時最令人擔(dān)憂的往往是高樓大廈。然而，有著中國第一高樓之稱的上海中心大廈，卻穩(wěn)如泰山。

記者了解到，這是位于大廈125層上堪稱“鎮(zhèn)樓神器”的阻尼器發(fā)揮出特殊作用，給這座摩天大樓進行了減振。

那么，由我國在國際上首創(chuàng)的擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，到底有哪些科學(xué)原理？在地震、狂風(fēng)環(huán)境下，又能夠起到怎樣的作用？

7月29日，記者采訪了相關(guān)專家。

超高層建筑的高層區(qū)域風(fēng)速比地面大5—6級

“隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、城市人口密度的增長，城市用地越來越稀缺，高層建筑和超高層建筑日益增多。”中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院教師丁北斗博士說，超高層建筑高層區(qū)域的風(fēng)速比地面大5—6級，尤其風(fēng)速較大時，建筑會產(chǎn)生晃動，使人有眩暈的感覺。

在江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑建造學(xué)院院長方桐清博士看來，目前超高層建筑需要解決的技術(shù)問題很多，抗風(fēng)是其中最重要的技術(shù)問題。

方桐清告訴記者，由于超高建筑高寬比大，建筑物對外力反應(yīng)強烈，在風(fēng)荷載作用下建筑物晃動幅度會較大，這不僅會增加結(jié)構(gòu)疲勞降低建筑物的安全性，也會大大降低人們生活的舒適度甚至產(chǎn)生眩暈。

所以，以物理原理和科學(xué)辦法調(diào)諧慣性力、減少振動反應(yīng)、降低結(jié)構(gòu)疲勞，是超高層建筑抗震設(shè)計中的重要技術(shù)問題。

丁北斗也介紹，建筑物高度和高寬比增加以及新型輕質(zhì)高強材料的使用，致使結(jié)構(gòu)剛度和阻尼下降，在地震或者強風(fēng)等激勵作用下的動力反應(yīng)強烈，很難滿足建筑結(jié)構(gòu)安全性、舒適性和使用性的要求。

建筑物在提高強度的同時，又會增加自重和剛度，同時還必定會減小延展性。再加上現(xiàn)代建筑除了需要滿足本身的使用功能外，還要與藝術(shù)感相結(jié)合。因此迫切需要尋求更安全、合理、經(jīng)濟的抗震設(shè)計方法。

記者了解到，目前，安裝在上海中心大廈的擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，當(dāng)強風(fēng)來襲時，裝置使用傳感器，既能夠探測風(fēng)力大小和建筑物的搖晃程度，又可通過計算機經(jīng)由彈簧、液壓裝置來控制配重物體向反方向運動，從而降低建筑物搖晃程度。

設(shè)計靈感不僅僅來源于“燭龍之眼”

在方桐清眼里，該大廈使用的擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，其設(shè)計靈感不僅僅來源于我國優(yōu)秀傳統(tǒng)文化中的“燭龍之眼”，關(guān)鍵在于我國科技工作者在國際上首先把電渦流和可變阻尼同時在被動式TMD（調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）中成功應(yīng)用，從而創(chuàng)制出了摩天大樓應(yīng)對臺風(fēng)和地震時的“秘密武器”。這既是國際上超高層建筑被動控制技術(shù)的標(biāo)志性成就，更是我國科技工作者創(chuàng)新創(chuàng)造、聰明智慧的結(jié)晶。

“該大廈的擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，是電渦流技術(shù)和可變阻尼在國際上被動式阻尼器中的首次應(yīng)用。”揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院姜治軍博士說，阻尼器由吊索、質(zhì)量塊、阻尼系統(tǒng)、主體結(jié)構(gòu)保護系統(tǒng)4部分組成，質(zhì)量塊重達1000噸，它由12根長25米的鋼索吊住，是目前世界上最重的擺式阻尼器質(zhì)量塊。

姜治軍介紹，該阻尼器質(zhì)量塊和吊索構(gòu)成一個巨型復(fù)擺，它與主體結(jié)構(gòu)的共振，能消減大樓晃動。在質(zhì)量塊下方，圓盤狀的磁場源與金屬板構(gòu)成了電渦流阻尼系統(tǒng)。在風(fēng)荷載或地震作用下，建筑物主體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生晃動，進而帶動阻尼系統(tǒng)的金屬板一起產(chǎn)生振動，從而控制整個樓體的頻率，保持整個建筑的平衡。

“這是由于阻尼系統(tǒng)中磁場的存在，振動的金屬板內(nèi)將產(chǎn)生電渦流，從而將動能轉(zhuǎn)化為電磁能，最后再轉(zhuǎn)化為熱能逐漸耗散，實現(xiàn)了摩天大樓良好的減振效果。”姜治軍說。

姜治軍還告訴記者，與傳統(tǒng)黏滯阻尼器相比，擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的優(yōu)勢明顯。其中，最為突出的是實現(xiàn)了阻尼可調(diào)，確保阻尼力滿足設(shè)計目標(biāo)。其次，阻尼桿件尺度和重量均較小，運輸和安裝十分方便，有利于在超高層建筑中使用。

另外，由于阻尼系統(tǒng)不需要工作流體，可以避免由于阻尼器構(gòu)件變形引起的密封圈漏液問題，有效降低了維護成本，延長了裝置的使用壽命。

“作為被動控制技術(shù)之一的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由于占用建筑面積少，以及便于安裝、維修和更換、經(jīng)濟實用等，今后將會在生產(chǎn)實踐中得到更多應(yīng)用。”丁北斗說。

標(biāo)簽：上海中心大廈擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器摩天大樓超高層建筑