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高層建筑共振晃動 多招聯手防抖

時間 2021-07-20來源 中國建設新聞網

近日,深圳市福田區高層建筑賽格大廈出現晃動情況備受關注。隨著我國各地的高層、超高層建筑越來越多,建筑物安全一直是廣受熱議的話題。我國對高層、超高層建筑物,從選址、設計、審批到施工、監理、驗收等,都有很嚴格的標準和規范。為防止擺動、抗風減震,高層建筑在設計時也是各出奇招。

高層建筑出現晃動正常嗎?

建筑晃動的原因有多種,成因、所處的具體情況都不完全相同,根據現有的研究,建筑出現晃動,多為共振導致。共振,是指一個物體的振動,會帶動另一個物體的振動。二者的振動頻率越接近,共振產生的振動幅度會越大。當一幢建筑超過一定高度時,風荷載作用下引起的建筑響應,可能比地震作用下引起的響應更大。建筑在風的作用下會產生順風向振動和橫風向振動。順風向振動就是建筑物順著風的方向產生的振動響應,是由風荷載的脈動作用使結構產生的受迫振動。而橫風向振動則是由于在風的作用下,在建筑的后部形成漩渦,而這種建筑后部兩側漩渦會以一定的頻率交替脫落,形成橫風向的振動。當這種漩渦交替脫落的頻率和建筑結構的固有頻率接近時,就會形成共振現象,就是所謂的“渦激共振”。共振作用的來源,一般是風力或地基作用力,其中,地基作用力的來源包括地震、地基變形、周圍施工作業等多種因素,所以建筑在設計時,會充分考慮外力因素導致的晃動問題。

建筑雖看起來是剛性結構,但實際蘊含著很多柔性設計,本身遇到大風就會晃動,所以為了防風減震,需要講究“剛柔并濟”,通過推力、壓力和水平力,讓建筑把外部的能量“消耗”掉。通常,高層建筑在設計階段會根據地區的風壓、建筑物形狀等各種數據做模擬測試。超高層建筑一般還會做風洞實驗,把建筑物模型放在風洞里,模擬各種風下建筑物的擺動和變形,以便保障外力引發的晃動在高層建筑安全范圍內。

對抗高樓晃動靠什么?

為有效防止建筑物“隨風起舞”,超高層建筑都是如何實現防風減振的呢?

從建筑設計方面來說,合理的選型有利于抵抗風荷載和地震作用。建筑的矩形截面靠近邊緣處的風力比中部風力更大,采用更接近流線型的截面,有利于減小邊緣處風荷載,進而減小建筑物受到的總風力。

從建筑結構方面來講,要想建造穩固的建筑,離不開合理的結構。摩天大樓的建筑結構,多為下粗上細的錐形結構體型。杭州世紀中心就以結構取勝,以流線型設計實現風力的自然導流。從遠處看,杭州世紀中心的雙塔建筑形成了一個大大的字母“H”,這是以杭州拼音首字母為藍本的建筑,其兩棟主樓之間的底部為跨度約60米、高度約22米的鋼結構連橋。杭州世紀中心的結構體系充分利用了剛性核心筒的阻尼和質量特性,并采用延性周邊抗彎框架以分別減少動態風力和消散地震能量。如果從上空俯瞰,會發現杭州世紀中心雙塔建筑的平面是兩個橄欖球狀。正是利用這種流線型結構設計,當風吹過建筑時,會實現自然導流,建筑面受到的直接作用力很小。杭州世紀中心的設計團隊在前期對其進行過風洞試驗,進一步驗證了整體結構設計的安全可靠。

從建筑裝置方面來講,安裝阻尼器是高層建筑常見的防抖方式。當建筑達到一定高度時,純粹靠提高結構抗側力體系剛度的方法收效欠佳,一些超高層建筑會在樓內添加阻尼器來減輕結構的振動響應。阻尼器是以提供運動的阻力來耗減運動能量的裝置,包含調諧質量阻尼器、調諧液體阻尼器、金屬阻尼器等。阻尼器主要有3種形式:第一種是在大樓的支撐柱之間加入一個交叉斜撐,用來減小支撐桿柱的變形,進而減小振動幅度;第二種是在墻體之中加入黏滯材料,利用黏滯材料吸收振動能量,從而讓振動變弱;第三種是在建筑物的頂端吊一個質量塊,質量塊的擺動方向與建筑物的振動方向相反,從而消減振動。

近年來,隨著高樓的興起以及極端天氣的頻發,為了減少可能的晃動對大樓內人員的影響,不少高樓都會選擇安裝阻尼器,例如平安金融中心設置了兩臺分別重達500噸的混合式阻尼器。在地震、強風時,阻尼器能夠在電腦和電機的控制下朝反方向運行,吸收風力和地基作用力產生的能量,避免共振導致建筑振幅不斷擴大,減輕建筑受到的損傷,發揮相當于天平砝碼的作用。

上海中心大廈也做了一個1000噸的阻尼器放在頂層。該大廈是中國第一高樓、世界第二高樓,地上127層,地下5層,總高632米。大廈頂樓的125—126層就藏著一個鎮樓神器——有“上?;垩邸敝Q的大型阻尼器。該阻尼器高度有7.7米,底座直徑有9.1米,采用的材質是琉璃玉和鋼,是世界首個擺式電磁渦流調諧質量阻尼器,由上海材料研究所自主研發而成。該阻尼器為世界最重,由12根吊索、質量塊、阻尼系統和主體保護系統四部分組成。阻尼器的質量塊和吊索構成了一個巨大的復擺,通過與主體結構的共振,有效抵御大樓的晃動。

上海每年夏秋季都會受臺風困擾,強臺風侵襲對于上海中心這樣的超高層建筑是個巨大的挑戰,而阻尼器對于抵抗臺風發揮著很大的作用。強風來臨時,它的最大擺幅可以達到1~1.2米,能通過自身感應實現與大樓搖擺的反方向運行,有效降低大樓擺動幅度和加速度,以提供良好的舒適度和安全性。

另外,上海中心的阻尼器除了具有穩定功能以外,也是一個具有參觀價值的雕塑藝術品,阻尼器上部的雕塑造型狀似“一只眼睛”,設計靈感源于《山海經》的“燭龍之眼”,引發游客紛紛駐足。

技術創新讓“小蠻腰”不“扭腰”

除了常用的方式以外,一些建筑還有其獨特的減震方式。廣州塔設計的結構安全問題是塔身的腰部太細。廣州是臺風頻發的區域,那么,大風到來,“小蠻腰”會“扭腰”嗎?答案是否定的。

廣州塔創新設計出世界領先的TDM兩級主被動復合調諧減震控制系統——在438~448米標高層利用核心筒兩邊各一個650噸容量的鐵制消防水箱作為TDM減震系統塊,在水箱下面安裝滑輪和軌道。兩個水箱上部各安裝了一臺重達50噸的直線電機主動控制裝置,根據塔身搖擺的精確數值,自動調整運動模式,進一步降低塔身的搖擺幅度。

當塔身晃動時,水箱通過傳感器向反方向滑動,以此來消減塔身的晃動幅度。加上這個系統,廣州塔減掉了40%的風振,同時保證了塔內通信設施、娛樂設施的正常使用。

減震技術的應用和推廣對于建筑物安全和人民的生命財產安全都有著重要意義。這次賽格大廈的晃動,無疑引起人們對建筑安全的更高需求。近幾年來,減震技術和消能技術逐步從基礎研究轉向了實際應用方面,建筑物的震動、減震和隔震控制,成為建筑業改革創新的難以回避的過程。而從疫情暴發對健康社區的關注,再到如今對建筑防震功能的訴求,也體現著人與城市、人與建筑關系的不斷重塑。(王曉暉)


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