千吨阻尼器硬刚台风“贝碧嘉”,“抗风神器”如何稳住高层建筑?

【环球时报特约记者 陈山】今年第13号台风“贝碧嘉”的中心16日在上海浦东临港新城登陆。它被称为“1949年以来登陆上海的最强台风”,上海著名的地标建筑、上海中心大厦的“抗风神器”千吨级阻尼器在台风中摇摆的画面也在社交媒体上热传。阻尼器在高层建筑的抗风作用到底是怎样实现的?

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上海中心大厦的“抗风神器”千吨级阻尼器

社交媒体上流传的视频显示,“贝碧嘉”登陆时中心附近最大风力14级,位于上海中心大厦125层的阻尼器出现明显的来回摆动。据介绍,高层和超高层建筑容易在高空风速影响下产生晃动,不仅会增加结构疲劳、降低建筑物的安全性,甚至会让高层住户产生明显的眩晕。因此利用物理原理减少振动反应、降低结构疲劳是超高层建筑抗震设计中的重要技术问题,阻尼器就是针对性的解决方案之一。当大楼在强风作用下产生摆动时,阻尼器以产生反向运动的方式来抵消大楼的摆动,利用自身的庞大重量来对抗风力对建筑物带来的影响,从而起到减缓大楼晃动的作用。

工程结构与抗震隔震减震控制专家、中国工程院院士周福霖此前曾介绍说,阻尼器主要分三种形式:第一种是在大楼的支撑柱之间加入一个交叉斜撑(斜撑阻尼器);第二种是在墙体之中加入黏滞材料,利用黏滞材料吸收震动能量,从而衰减震动;第三种阻尼器是在建筑物的顶端吊一个质量块,质量块的摆动方向与建筑物的震动方向相反,从而消减震动。例如台北101大厦采用的是调谐质量阻尼器。在台风和地震来袭、大楼侧面受力时,会通过计算机探测后,以相应的摆动产生反作用力,抵消部分大楼的压力。上海中心大厦则采用更先进的“电涡流摆设式调谐质量阻尼器”,它的核心部件重达1000吨,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。当通过永磁体形成的磁场与质量块一起摆动时,就与其下方固定的导体产生相对运动,从而在导体中产生电涡流。电涡流切割磁力线时会产生与导体或磁场运动方向相反的阻力,从而实现减震耗能的作用。电涡流阻尼器具有响应灵敏度高、耐久性强、可实现变阻尼和维护成本低的优点。上海中心大厦使用的电磁涡流阻尼器是由我国自主研发,也是在世界所有超高层建筑减震阻尼器类型中的首创性技术运用。据称,这种阻尼器可以降低风致峰值加速度,降低的幅度超过43%,可以令大厦内90%的人感受到较大的舒适度。

不过阻尼器的作用范围也有上限。例如上海中心大厦阻尼器设定的极限值是单边摆动两米。当阻尼器的摆动超过一定幅值时,限位保护装置就会将其锁定,保护大楼结构以及周边的装饰部件不会受到撞击。