超高层建筑为何能在地震中“站如松”?

article/2025/6/16 8:47:55

超高层建筑为何能在地震中“站如松”?

上海中心大厦。图据视觉中国

上海中心大厦的“上海慧眼”。图据视觉中国

4月3日7时58分,我国台湾花莲县东部海域发生里氏7.3级地震。地震造成多地震感强烈,不只震中附近的花莲县出现房屋倒塌、倾斜,宜兰县景点龟山岛也发生部分折断情况。还有网友发现,地震时台北著名的101大楼也发生了轻微摆动。

摆动归摆动,高达508米的大楼依然挺立。同学们如果学了物理知识就知道,越长的物品就越容易折断,那么为什么高楼不容易被折断呢?

阻尼器大显身手

秘密就藏在质量调谐阻尼器之中。

建筑晃动的原因有多种,根据现有的研究,建筑出现晃动,多为共振导致。共振,是指一个物体的振动,会带动另一个物体的振动。二者的振动频率越接近,共振产生的振动幅度会越大。

超高层摩天大楼由于高度过高,非常容易形成共振。底层晃动一厘米,楼顶就有可能晃动一米。

阻尼器能够为建筑的振动提供运动阻力,耗减运动能量。它能够抵消构建物受到的外力,使构建物保持稳定,减小共振幅度。上世纪70年代,这项技术开始在高楼、桥梁和铁路等工程中使用,成为保护高层建筑的重要技术。

台北101大楼之所以能够抗震扛台风,依靠的就是内部巨大的阻尼器。这个阻尼器像是一颗金色大球,直径达5.5米,重660吨,四周用钢索吊着,下面用了8组小的液体阻尼器,相当于挂了一个大重锤。

平时,大球安安静静地在建筑内部“睡觉”,一旦发生了台风或地震,建筑物有巨幅摆动风险时,这个爱睡觉的家伙就会突然苏醒。凭借传感器测到的数据,由计算机测定,以摆动产生反作用力,抵消外部压力。

镇楼神器也是景观装置

阻尼器不仅可以保护建筑物,也是一个旅游观光的景点。

以前的摩天大楼由于阻尼器不好看,都想尽办法把这个镇楼神器藏起来,但101大楼的阻尼器,因设计独特,很有观赏性,于是被开发成特殊的旅游项目。在大楼里,特别设置室内和室外两个不同区域的观景台,可以全方位地观察这个神奇的大球体。甚至运气好的话,还会看到阻尼器发生摆动。101大楼甚至还制作了5个不同颜色的吉祥物,很显然,它们的形象就是按阻尼球制造的。

上海中心大厦,这座高632米的中国第一高楼,也拥有一个巨大的阻尼器,被称为“上海慧眼”。它的设计理念来自《山海经》中的“烛龙之眼”,造型像一只巨大的眼睛,其极限摆动幅度可达两米。

“上海慧眼”采用了全新的电涡流技术。电涡流技术曾经是磁悬浮工程的法宝,被用于制造风阻尼器,是中国首创。

与别的阻尼器工作时不同,“上海慧眼”是一个看得见,更“听得到”的阻尼器。每当风拂过大厦,阻尼器摆动的静态数据便通过运算转化成为一段“Soul ”纯数字音乐,成为整个空间的背景音乐。同时,光影演绎的春日细雨、夏日繁花、秋日枫叶、冬日寂静,随着音乐不断变幻。因为每一次阻尼器的摆幅不同,呈现的视听景象也不一样,所以每场演出都是独一无二的存在。

高楼的结构设计也很重要

“小蛮腰”广州塔也采用了独特的减震方式,特别是腰身部分,由于太细增加了减震难度。于是,“小蛮腰”创新设计出新型的减震系统,在特定的高度,利用大容量消防水箱作为减震系统块,在水箱下面安装滑轮和轨道。水箱上装有主动控制装置,根据塔身摇摆的精确数值,自动调整运动模式,进一步降低塔身的摇摆幅度。这个系统为广州塔减掉了40%的风振,同时保证了塔内通信设施、娱乐设施的正常使用。

除了阻尼器之外,超高建筑的防风防震结构设计也很重要。

比如说杭州世纪中心,以流线型设计实现风力的自然导流。从上空俯瞰,会发现杭州世纪中心双塔建筑的平面是两个橄榄球状。正是利用这种流线型结构设计,当风吹过建筑时,会实现自然导流,建筑面受到的直接作用力很小。

正因如此,通过人类各种聪明才智,大楼才能够越修越高,也才能够如松柏一般,挺立不倒。

华西都市报-封面新闻记者 闫雯雯


http://www.hkcw.cn/article/qSkUmZLfhQ.shtml

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