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强风来袭 “镇楼神器”如何让摩天大楼稳如泰山

来源:科技日报2021-07-30 09:24

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  今年第6号台风“烟花”来势汹汹。7月25日,“烟花”逼近上海,全市普降大雨,黄浦江两岸更是狂风暴雨。此时最令人担忧的往往是高楼大厦。然而,有着中国第一高楼之称的上海中心大厦,却稳如泰山。

  科技日报记者了解到,这是位于大厦125层上堪称“镇楼神器”的阻尼器发挥出特殊作用,给这座摩天大楼进行了减振。

  那么,由我国在国际上首创的摆式电涡流调谐质量阻尼器,到底有哪些科学原理?在地震、狂风环境下,又能够起到怎样的作用?

  7月29日,科技日报记者采访了相关专家。

  超高层建筑的高层区域风速比地面大5—6级

  “随着社会经济的发展、城市人口密度的增长,城市用地越来越稀缺,高层建筑和超高层建筑日益增多。”中国矿业大学力学与建筑工程学院教师丁北斗博士说,超高层建筑高层区域的风速比地面大5—6级,尤其风速较大时,建筑会产生晃动,使人有眩晕的感觉。

  在江苏建筑职业技术学院建筑建造学院院长方桐清博士看来,目前超高层建筑需要解决的技术问题很多,抗风是其中最重要的技术问题。

  方桐清告诉记者,由于超高建筑高宽比大,建筑物对外力反应强烈,在风荷载作用下建筑物晃动幅度会较大,这不仅会增加结构疲劳降低建筑物的安全性,也会大大降低人们生活的舒适度甚至产生眩晕。

  所以,以物理原理和科学办法调谐惯性力、减少振动反应、降低结构疲劳,是超高层建筑抗震设计中的重要技术问题。

  丁北斗也介绍,建筑物高度和高宽比增加以及新型轻质高强材料的使用,致使结构刚度和阻尼下降,在地震或者强风等激励作用下的动力反应强烈,很难满足建筑结构安全性、舒适性和使用性的要求。

  建筑物在提高强度的同时,又会增加自重和刚度,同时还必定会减小延展性。再加上现代建筑除了需要满足本身的使用功能外,还要与艺术感相结合。因此迫切需要寻求更安全、合理、经济的抗震设计方法。

  记者了解到,目前,安装在上海中心大厦的摆式电涡流调谐质量阻尼器,当强风来袭时,装置使用传感器,既能够探测风力大小和建筑物的摇晃程度,又可通过计算机经由弹簧、液压装置来控制配重物体向反方向运动,从而降低建筑物摇晃程度。

  设计灵感不仅仅来源于“烛龙之眼”

  在方桐清眼里,该大厦使用的摆式电涡流调谐质量阻尼器,其设计灵感不仅仅来源于我国优秀传统文化中的“烛龙之眼”,关键在于我国科技工作者在国际上首先把电涡流和可变阻尼同时在被动式TMD(调谐质量阻尼器)中成功应用,从而创制出了摩天大楼应对台风和地震时的“秘密武器”。这既是国际上超高层建筑被动控制技术的标志性成就,更是我国科技工作者创新创造、聪明智慧的结晶。

  “该大厦的摆式电涡流调谐质量阻尼器,是电涡流技术和可变阻尼在国际上被动式阻尼器中的首次应用。”扬州大学建筑科学与工程学院姜治军博士说,阻尼器由吊索、质量块、阻尼系统、主体结构保护系统4部分组成,质量块重达1000吨,它由12根长25米的钢索吊住,是目前世界上最重的摆式阻尼器质量块。

  姜治军介绍,该阻尼器质量块和吊索构成一个巨型复摆,它与主体结构的共振,能消减大楼晃动。在质量块下方,圆盘状的磁场源与金属板构成了电涡流阻尼系统。在风荷载或地震作用下,建筑物主体结构会产生晃动,进而带动阻尼系统的金属板一起产生振动,从而控制整个楼体的频率,保持整个建筑的平衡。

  “这是由于阻尼系统中磁场的存在,振动的金属板内将产生电涡流,从而将动能转化为电磁能,最后再转化为热能逐渐耗散,实现了摩天大楼良好的减振效果。”姜治军说。

  姜治军还告诉记者,与传统黏滞阻尼器相比,摆式电涡流调谐质量阻尼器的优势明显。其中,最为突出的是实现了阻尼可调,确保阻尼力满足设计目标。其次,阻尼杆件尺度和重量均较小,运输和安装十分方便,有利于在超高层建筑中使用。

  另外,由于阻尼系统不需要工作流体,可以避免由于阻尼器构件变形引起的密封圈漏液问题,有效降低了维护成本,延长了装置的使用寿命。

  “作为被动控制技术之一的调谐质量阻尼器由于占用建筑面积少,以及便于安装、维修和更换、经济实用等,今后将会在生产实践中得到更多应用。”丁北斗说。(过国忠 葛志亮 虞 璐

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