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當(dāng)強(qiáng)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(bào)

今年第6號臺(tái)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(shí)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(jìn)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(huì)經(jīng)濟(jì)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(shí)，建筑會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，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(qiáng)烈，在風(fēng)荷載作用下建筑物晃動(dòng)幅度會(huì)較大，這不僅會(huì)增加結(jié)構(gòu)疲勞降低建筑物的安全性，也會(huì)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(dòng)反應(yīng)、降低結(jié)構(gòu)疲勞，是超高層建筑抗震設(shè)計(jì)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(qiáng)材料的使用，致使結(jié)構(gòu)剛度和阻尼下降，在地震或者強(qiáng)風(fēng)等激勵(lì)作用下的動(dòng)力反應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)，又會(huì)增加自重和剛度，同時(shí)還必定會(huì)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(jì)的抗震設(shè)計(jì)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(qiáng)風(fēng)來襲時(shí)，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(jì)算機(jī)經(jīng)由彈簧、液壓裝置來控制配重物體向反方向運(yùn)動(dòng)，從而降低建筑物搖晃程度。

設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)在被動(dòng)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(tái)風(fēng)和地震時(shí)的“秘密武器”。這既是國際上超高層建筑被動(dòng)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(dòng)式阻尼器中的首次應(yīng)用。”揚(yáng)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(hù)系統(tǒng)4部分組成，質(zhì)量塊重達(dá)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(gè)巨型復(fù)擺，它與主體結(jié)構(gòu)的共振，能消減大樓晃動(dòng)。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(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)阻尼系統(tǒng)的金屬板一起產(chǎn)生振動(dòng)，從而控制整個(gè)樓體的頻率，保持整個(gè)建筑的平衡。

“這是由于阻尼系統(tǒng)中磁場的存在，振動(dòng)的金屬板內(nèi)將產(chǎn)生電渦流，從而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁能，最后再轉(zhuǎn)化為熱能逐漸耗散，實(shí)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(shí)現(xiàn)了阻尼可調(diào)，確保阻尼力滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。其次，阻尼桿件尺度和重量均較小，運(yùn)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(hù)成本，延長了裝置的使用壽命。

“作為被動(dòng)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(jì)實(shí)用等，今后將會(huì)在生產(chǎn)實(shí)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