“硬剛”14級(jí)臺(tái)風(fēng)，這種“抗風(fēng)神器”如何守護(hù)摩天大樓？

“摩羯”、“貝碧嘉”、“普拉桑”……9月以來(lái)，我國(guó)東部、南部沿海的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)一個(gè)接一個(gè)登陸，帶來(lái)狂風(fēng)和大量降水。尤其是“貝碧嘉”，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力14級(jí)（42米/秒），中心最低氣壓為955百帕，被稱為 1949 年以來(lái)登陸上海的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。

社交媒體上流傳的視頻顯示，“貝碧嘉”登陸時(shí)，位于上海著名的地標(biāo)建筑、上海中心大廈125層的“抗風(fēng)神器”阻尼器出現(xiàn)明顯的來(lái)回?cái)[動(dòng)，幅度大約為1米。

▲阻尼器開始工作了。來(lái)源：上觀新聞

在之前的臺(tái)風(fēng)肆虐期間，還有人拍到大樓在風(fēng)中搖晃的視頻，令不少網(wǎng)友大呼“害怕”！甚至有人認(rèn)為這個(gè)大樓的地基有問(wèn)題，是“豆腐渣工程”，還有的網(wǎng)友根本不相信大樓會(huì)被風(fēng)吹得搖晃，直言是“P的”！

臺(tái)風(fēng)來(lái)襲的時(shí)候，大樓真的會(huì)晃動(dòng)嗎？真的沒事嗎？重達(dá)千噸的阻尼器又是干什么用的？

摩天大樓：不只是臺(tái)風(fēng)地震期間，平常也晃

摩天大樓在遭遇臺(tái)風(fēng)和地震的時(shí)候，受到變化的風(fēng)荷載（即風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)施加的力）、地震動(dòng)作用，會(huì)產(chǎn)生往復(fù)的動(dòng)力變形，也就是大家感受到的“搖晃”。結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)是無(wú)法避免的，是結(jié)構(gòu)在動(dòng)力作用下的必然反應(yīng)。

實(shí)際上，在平時(shí)，大樓也會(huì)有振動(dòng)，只是振動(dòng)的幅度很小，人們很難注意到。在臺(tái)風(fēng)、地震這樣的強(qiáng)烈荷載作用下，大樓的振動(dòng)幅度也就相應(yīng)增加了。此外，摩天大樓也需要通過(guò)“搖晃”來(lái)消耗掉臺(tái)風(fēng)和地震輸入的大量能量。

可見，光憑臺(tái)風(fēng)天里大樓搖晃就判斷建筑物是“豆腐渣工程”是沒有科學(xué)依據(jù)的。

大樓動(dòng)工前，都要由工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工程師們會(huì)根據(jù)大樓所處的地理位置，預(yù)估大樓可能承受的地震和臺(tái)風(fēng)作用，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)，盡量減少大樓在這些外荷載（即所有外部環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)作用力的統(tǒng)稱）作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

在沿海強(qiáng)風(fēng)地區(qū)，風(fēng)荷載往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制性因素，所以工程師們往往會(huì)采用抗風(fēng)設(shè)計(jì)?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)必須滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、舒適度、抗疲勞破壞等設(shè)計(jì)要求，確保結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下不會(huì)發(fā)生倒塌、開裂，也不會(huì)發(fā)生過(guò)大的位移，以保證結(jié)構(gòu)的安全。

你可能會(huì)奇怪，為什么臺(tái)風(fēng)天身處大樓內(nèi)的自己感受不到搖晃呢？

其實(shí)，影響人體舒適度的主要因素有振動(dòng)頻率、振動(dòng)加速度和振動(dòng)持續(xù)時(shí)間。振動(dòng)持續(xù)時(shí)間主要取決于風(fēng)力作用時(shí)間，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率又很難調(diào)整，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般采用限制結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度的方法來(lái)讓人感覺更舒適。

▲人體振動(dòng)舒適控制界限＊1 gal = 1/100 m /s^2

當(dāng)一棟樓的振動(dòng)加速度達(dá)到 0.15 m /s^2 時(shí)，身處其中的人們就會(huì)感受到建筑物的搖晃。

阻尼器：風(fēng)不動(dòng)，我不動(dòng)，風(fēng)往南動(dòng)，我往北動(dòng)

高層和超高層建筑容易在高空風(fēng)速影響下產(chǎn)生晃動(dòng)，不僅會(huì)增加結(jié)構(gòu)疲勞、降低建筑物的安全性，甚至?xí)尭邔幼舢a(chǎn)生明顯的眩暈。因此利用物理原理減少振動(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，阻尼器就是針對(duì)性的解決方案之一。

這種裝置早先在航天、航空、軍工、槍炮、汽車等行業(yè)中有廣泛應(yīng)用，20世紀(jì)70年代起開始應(yīng)用在建筑、橋梁、鐵路等結(jié)構(gòu)工程中。特別是一些摩天大樓，當(dāng)樓體在強(qiáng)風(fēng)作用下產(chǎn)生擺動(dòng)時(shí)，阻尼器能以產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)抵消大樓的擺動(dòng)，利用自身的龐大重量來(lái)對(duì)抗風(fēng)力對(duì)建筑物帶來(lái)的影響，從而起到減緩大樓晃動(dòng)的作用。

上海理工大學(xué)物理系副教授、中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)科普工作委員會(huì)委員田偉在接受媒體采訪時(shí)進(jìn)一步解釋，阻尼器的運(yùn)作原理就像身處搖晃的“網(wǎng)紅橋”（吊橋）上的人，將身體朝“網(wǎng)紅橋”晃動(dòng)的反方向移動(dòng)，來(lái)取得平衡。他說(shuō)，“如果強(qiáng)風(fēng)從某個(gè)方向刮來(lái)，配重物就好比一個(gè)巨大的“鐘擺”擺向風(fēng)吹來(lái)的方向，產(chǎn)生一種與風(fēng)向相反的力量，從而化解建筑物的搖晃程度，抵消強(qiáng)風(fēng)對(duì)建筑物的影響?！?/p>

阻尼器一般可分為兩種，一種是耗能阻尼器，一種是調(diào)諧阻尼器。從能量的觀點(diǎn)看，臺(tái)風(fēng)或者地震輸入到建筑物中的能量是一定的，因此，耗能裝置耗散的能量越多，則結(jié)構(gòu)本身需要耗散的能量就越小，耗能阻尼器就是利用這樣的原理減輕建筑物的振動(dòng)。位于馬來(lái)西亞吉隆坡的國(guó)油雙峰塔采用的就是耗能阻尼器，它利用兩棟大樓間的空橋來(lái)平衡大樓間的搖晃，耗能阻尼器設(shè)置在空橋和大樓的連接點(diǎn)。在地震或臺(tái)風(fēng)的作用下率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，大量消耗地震能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。

調(diào)諧阻尼器則是通過(guò)增加一個(gè)子結(jié)構(gòu)，把建筑的能量向子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移。這些子結(jié)構(gòu)往往都重達(dá)數(shù)百噸，當(dāng)臺(tái)風(fēng)或地震將大樓晃到一邊時(shí)，阻尼器也會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，其慣性運(yùn)動(dòng)方向和大樓運(yùn)動(dòng)方向正好相反。

根據(jù)子結(jié)構(gòu)的不同，調(diào)諧阻尼器又分為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（Tuned Mass Damper，簡(jiǎn)稱TMD）和調(diào)諧液體阻尼器（Tuned Liquid Damper，簡(jiǎn)稱TLD）。由于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器具備對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)控振效果好、對(duì)建筑功能的影響較小、成本低、占地少且便于安裝、維修和更換等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

上海中心大廈高度達(dá)到了632米，是中國(guó)第一高樓，也是我國(guó)唯一突破600米高度的建筑。其上層部分平時(shí)也要承受每秒數(shù)十米的大風(fēng)。當(dāng)臺(tái)風(fēng)來(lái)襲，上海中心大廈會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，頂部最大幅度可達(dá)到1.4米。它的阻尼器“上?；垩邸本蛯儆陔姕u流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，是我國(guó)的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，具有響應(yīng)靈敏度高、耐久性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)變阻尼和維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)阻尼器也是目前世界上最重的，達(dá)1000噸，約占大廈重量的0.118%，由12根長(zhǎng)達(dá)25米的鋼索吊在大廈內(nèi)部，單邊擺幅極限為2米。

這個(gè)阻尼器被安裝在大廈的倒數(shù)第三和第四層，距離地面583米。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，這個(gè)巨型復(fù)擺會(huì)擺向風(fēng)吹來(lái)的方向，從而通過(guò)自身的搖擺來(lái)削弱大廈的晃動(dòng)幅度。根據(jù)上海中心大廈施工方上海建工提供的數(shù)據(jù)，這種阻尼器可以降低風(fēng)致峰值加速度，降低的幅度超過(guò)43%，可以令大廈內(nèi)90%的人感受到較大的舒適度。

▲中國(guó)第一高樓——上海中心大廈。圖片來(lái)源：上觀新聞

既然阻尼器可以削減大樓晃動(dòng)，是不是超高層建筑都要裝？有專家表示，超高層抗風(fēng)抗震主要依靠大樓結(jié)構(gòu)和外形設(shè)計(jì)，需要“自身硬”。阻尼器的作用更像是“錦上添花”，一方面削減晃動(dòng)，優(yōu)化體驗(yàn)、提高大樓品質(zhì)；另一方面，增加結(jié)構(gòu)的耐久性。根據(jù)我國(guó)相關(guān)規(guī)范，并沒有強(qiáng)制大樓安裝阻尼器。

另外，阻尼器的作用范圍也有上限。例如上海中心大廈阻尼器設(shè)定的極限值是單邊擺動(dòng)兩米。當(dāng)阻尼器的擺動(dòng)超過(guò)一定幅值時(shí)，限位保護(hù)裝置就會(huì)將其鎖定，保護(hù)大樓結(jié)構(gòu)以及周邊的裝飾部件不會(huì)受到撞擊。

輕微晃動(dòng)不會(huì)影響樓房結(jié)構(gòu)

那么對(duì)于未安裝阻尼器的高層建筑，面對(duì)臺(tái)風(fēng)時(shí)需要擔(dān)心嗎？

防城港市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)一位張姓總工程師在接受媒體采訪時(shí)表示，臺(tái)風(fēng)來(lái)時(shí)，在一些樓層較高的建筑物內(nèi)居住的公眾感覺到有輕微的晃動(dòng)，這是正常的現(xiàn)象，臺(tái)風(fēng)不會(huì)對(duì)樓房本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。按照樓房設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)定，在強(qiáng)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，高層建筑是允許有微幅晃動(dòng)的，超過(guò)30層的大樓往往都會(huì)產(chǎn)生幾公分的偏幅。樓層晃動(dòng)的程度與面積的比值有關(guān)，平面建筑面積較大時(shí)，晃動(dòng)的幅度就會(huì)比較?。欢恍┢矫娼ㄖ娣e比較窄小的樓層就會(huì)晃動(dòng)得厲害些。

據(jù)建筑專家介紹，通過(guò)氣象方程式可以計(jì)算出，城市高空確實(shí)要比近地面的風(fēng)速大。因此，當(dāng)狂風(fēng)吹過(guò)時(shí)，高層建筑受到的影響就較大，這在建筑學(xué)上稱為“風(fēng)振效應(yīng)”。

高空風(fēng)力增大的另一個(gè)原因是高樓林立的“狹管效應(yīng)”。由于高樓阻擋，如果風(fēng)的通行面減小一半的話，其穿行速度則會(huì)增加約一倍。遇見高樓狹小的通道，風(fēng)就更猛烈了。因此，超高層建筑頂部一般都會(huì)有位移表現(xiàn)，只是幅度不同。樓層越高，幅度越大。因此，住在頂樓的居民感覺“晃動(dòng)”是正常的，但這不會(huì)影響樓本身結(jié)構(gòu)的安全。

在建造高層建筑時(shí)，風(fēng)是首先要考慮的要素之一。對(duì)于抗風(fēng)要求，一般建筑物要求能夠抗50年一遇的大風(fēng)；高層建筑要求更高，一般是要能夠抵御百年一遇的大風(fēng)。因此，只要樓房的建設(shè)是嚴(yán)格按照抗風(fēng)設(shè)計(jì)來(lái)建造的，就不會(huì)有危險(xiǎn)。如果高樓在晃動(dòng)中伴有墻體脫落等問(wèn)題，公眾就要引起重視，并應(yīng)及時(shí)向當(dāng)?shù)胤课莅踩块T反映情況。

來(lái)源：科普中國(guó)、環(huán)球網(wǎng)、紅星新聞、上觀新聞