“煙花”來(lái)勢(shì)洶洶 “鎮(zhèn)樓神器”讓摩天大樓穩(wěn)如泰山
今年第6號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”來(lái)勢(shì)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(guó)第一高樓之稱(chēng)的上海中心大廈,卻穩(wěn)如泰山。
科技日?qǐng)?bào)記者了解到,這是位于大廈125層上堪稱(chēng)“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(guó)在國(guó)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,科技日?qǐng)?bào)記者采訪了相關(guān)專(zhuān)家。
超高層建筑的高層區(qū)域風(fēng)速比地面大5—6級(jí)
“隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市人口密度的增長(zhǎng),城市用地越來(lái)越稀缺,高層建筑和超高層建筑日益增多。”中國(guó)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(shuō),超高層建筑高層區(qū)域的風(fēng)速比地面大5—6級(jí),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(jué)。
在江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑建造學(xué)院院長(zhǎng)方桐清博士看來(lái),目前超高層建筑需要解決的技術(shù)問(wèn)題很多,抗風(fēng)是其中最重要的技術(shù)問(wèn)題。
方桐清告訴記者,由于超高建筑高寬比大,建筑物對(duì)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(wèn)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(lái)襲時(shí),裝置使用傳感器,既能夠探測(cè)風(fēng)力大小和建筑物的搖晃程度,又可通過(guò)計(jì)算機(jī)經(jīng)由彈簧、液壓裝置來(lái)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(lái)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(lái)源于我國(guó)優(yōu)秀傳統(tǒng)文化中的“燭龍之眼”,關(guān)鍵在于我國(guó)科技工作者在國(guó)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(duì)臺(tái)風(fēng)和地震時(shí)的“秘密武器”。這既是國(guó)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(guó)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(guó)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(shuō),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(zhǎng)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(pán)狀的磁場(chǎng)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(chǎng)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(shuō)。
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(shì)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?jiǎn)栴},有效降低了維護(hù)成本,延長(zhǎng)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(shuō)。
(記者 過(guò)國(guó)忠)
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