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近日，深圳市福田區(qū)高層建筑賽格大廈出現(xiàn)晃動情況備受關(guān)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(shè)計、審批到施工、監(jiān)理、驗收等，都有很嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。為防止擺動、抗風(fēng)減震，高層建筑在設(shè)計時也是各出奇招。
高層建筑出現(xiàn)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(jù)現(xiàn)有的研究，建筑出現(xiàn)晃動，多為共振導(dǎo)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(chǎn)生的振動幅度會越大。當(dāng)一幢建筑超過一定高度時，風(fēng)荷載作用下引起的建筑響應(yīng)，可能比地震作用下引起的響應(yīng)更大。建筑在風(fēng)的作用下會產(chǎn)生順風(fēng)向振動和橫風(fēng)向振動。順風(fēng)向振動就是建筑物順著風(fēng)的方向產(chǎn)生的振動響應(yīng)，是由風(fēng)荷載的脈動作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的受迫振動。而橫風(fēng)向振動則是由于在風(fēng)的作用下，在建筑的后部形成漩渦，而這種建筑后部兩側(cè)漩渦會以一定的頻率交替脫落，形成橫風(fēng)向的振動。當(dāng)這種漩渦交替脫落的頻率和建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，就會形成共振現(xiàn)象，就是所謂的“渦激共振”。共振作用的來源，一般是風(fēng)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(yè)等多種因素，所以建筑在設(shè)計時，會充分考慮外力因素導(dǎo)致的晃動問題。
建筑雖看起來是剛性結(jié)構(gòu)，但實際蘊含著很多柔性設(shè)計，本身遇到大風(fēng)就會晃動，所以為了防風(fēng)減震，需要講究“剛?cè)岵?SPAN lang=EN-US>”，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(shè)計階段會根據(jù)地區(qū)的風(fēng)壓、建筑物形狀等各種數(shù)據(jù)做模擬測試。超高層建筑一般還會做風(fēng)洞實驗，把建筑物模型放在風(fēng)洞里，模擬各種風(fēng)下建筑物的擺動和變形，以便保障外力引發(fā)的晃動在高層建筑安全范圍內(nèi)。
對抗高樓晃動靠什么？
為有效防止建筑物“隨風(fēng)起舞”，超高層建筑都是如何實現(xiàn)防風(fēng)減振的呢？
從建筑設(shè)計方面來說，合理的選型有利于抵抗風(fēng)荷載和地震作用。建筑的矩形截面靠近邊緣處的風(fēng)力比中部風(fēng)力更大，采用更接近流線型的截面，有利于減小邊緣處風(fēng)荷載，進而減小建筑物受到的總風(fēng)力。
從建筑結(jié)構(gòu)方面來講，要想建造穩(wěn)固的建筑，離不開合理的結(jié)構(gòu)。摩天大樓的建筑結(jié)構(gòu)，多為下粗上細的錐形結(jié)構(gòu)體型。杭州世紀(jì)中心就以結(jié)構(gòu)取勝，以流線型設(shè)計實現(xiàn)風(fēng)力的自然導(dǎo)流。從遠處看，杭州世紀(jì)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(jié)構(gòu)連橋。杭州世紀(jì)中心的結(jié)構(gòu)體系充分利用了剛性核心筒的阻尼和質(zhì)量特性，并采用延性周邊抗彎框架以分別減少動態(tài)風(fēng)力和消散地震能量。如果從上空俯瞰，會發(fā)現(xiàn)杭州世紀(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計，當(dāng)風(fēng)吹過建筑時，會實現(xiàn)自然導(dǎo)流，建筑面受到的直接作用力很小。杭州世紀(jì)中心的設(shè)計團隊在前期對其進行過風(fēng)洞試驗，進一步驗證了整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(dāng)建筑達到一定高度時，純粹靠提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系剛度的方法收效欠佳，一些超高層建筑會在樓內(nèi)添加阻尼器來減輕結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。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(diào)諧質(zhì)量阻尼器、調(diào)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?nèi)酰坏谌N是在建筑物的頂端吊一個質(zhì)量塊，質(zhì)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(fā)，為了減少可能的晃動對大樓內(nèi)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(shè)置了兩臺分別重達500噸的混合式阻尼器。在地震、強風(fēng)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(fēng)力和地基作用力產(chǎn)生的能量，避免共振導(dǎo)致建筑振幅不斷擴大，減輕建筑受到的損傷，發(fā)揮相當(dāng)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(zhèn)樓神器——有“上�；垩�”之稱的大型阻尼器。該阻尼器高度有7.7米，底座直徑有9.1米，采用的材質(zhì)是琉璃玉和鋼，是世界首個擺式電磁渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，由上海材料研究所自主研發(fā)而成。該阻尼器為世界最重，由12根吊索、質(zhì)量塊、阻尼系統(tǒng)和主體保護系統(tǒng)四部分組成。阻尼器的質(zhì)量塊和吊索構(gòu)成了一個巨大的復(fù)擺，通過與主體結(jié)構(gòu)的共振，有效抵御大樓的晃動。
上海每年夏秋季都會受臺風(fēng)困擾，強臺風(fēng)侵襲對于上海中心這樣的超高層建筑是個巨大的挑戰(zhàn)，而阻尼器對于抵抗臺風(fēng)發(fā)揮著很大的作用。強風(fēng)來臨時，它的最大擺幅可以達到1~1.2米，能通過自身感應(yīng)實現(xiàn)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(wěn)定功能以外，也是一個具有參觀價值的雕塑藝術(shù)品，阻尼器上部的雕塑造型狀似“一只眼睛”，設(shè)計靈感源于《山海經(jīng)》的“燭龍之眼”，引發(fā)游客紛紛駐足。
技術(shù)創(chuàng)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(shè)計的結(jié)構(gòu)安全問題是塔身的腰部太細。廣州是臺風(fēng)頻發(fā)的區(qū)域，那么，大風(fēng)到來，“小蠻腰”會“扭腰”嗎？答案是否定的。
廣州塔創(chuàng)新設(shè)計出世界領(lǐng)先的TDM兩級主被動復(fù)合調(diào)諧減震控制系統(tǒng)——在438~448米標(biāo)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(tǒng)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(jù)塔身搖擺的精確數(shù)值，自動調(diào)整運動模式，進一步降低塔身的搖擺幅度。
當(dāng)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(tǒng)，廣州塔減掉了40%的風(fēng)振，同時保證了塔內(nèi)通信設(shè)施、娛樂設(shè)施的正常使用。
減震技術(shù)的應(yīng)用和推廣對于建筑物安全和人民的生命財產(chǎn)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(shù)和消能技術(shù)逐步從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向了實際應(yīng)用方面，建筑物的震動、減震和隔震控制，成為建筑業(yè)改革創(chuàng)新的難以回避的過程。而從疫情暴發(fā)對健康社區(qū)的關(guān)注，再到如今對建筑防震功能的訴求，也體現(xiàn)著人與城市、人與建筑關(guān)系的不斷重塑。
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