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台风“烟花”影响下阻尼器为“极端”作保
更新时间:2021-11-23

  台风“烟花”的影响持续刷新人们的认知。除了先后与“查帕卡”、“尼伯特”相互作用推动郑州暴雨,“烟花”在登陆前3天(22日),其外围云系就开始影响浙江省带来部分地区的强降雨。

  当前,“烟花”已在浙江平湖再次登陆,这也是有气象记录以来唯一两次登陆浙江的台风。登陆时中心附近最大风力高达10级(28米/秒),中心最低气压978百帕。从整体上来说,虽然强度已经降低,但“烟花”的影响依然巨大,携带的水汽极多,雨水覆盖面积也极大。

  “烟花”登陆期间,上海中心大厦等超高建筑受到了人们的关注。毕竟本身作为超高建筑,就极大的增加了对风荷载的敏感性,更何况还要面对威力如此之大的超强台风。在这样的情况下,阻尼器再次发挥作用,成为暴风雨中的“定楼神球”。

  阻尼,是指物体在运动过程中受各种阻力的影响,能量逐渐衰减而运动减弱的特性。在力学中,对于使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用,称为阻尼。其安装在结构系统上,可以耗减运动能量的装置,就被称之为阻尼器。

  在近地表空间中,高层建筑发生晃动离不开地震、风力因素,以及其他各类因素耦合作用。其中,风速又随高度的变化而有显著的变化。海拔越高,风速越快,受到的风力强度也会更高。比如,地面风速为5米/秒时,百米高度风速会增加到地面风速的4倍左右。

  因此,在大风或台风来袭时,高层建筑物会受到非常强劲的空气压力,使其发生摇晃。实际上,只要风速合适,高层建筑都有发生人体可感的晃动可能。而基于建筑结构的消能减震问题事关生命和财产安全及建设成本,利用阻尼来吸能减震就几乎成为高层建筑的必须。

  尽管对于大多数人来说,阻尼器的存在仍然陌生。但事实上,早在上世纪70年代,科学家们就已经开始将阻尼器应用于建筑结构抗震工程。并且,在航天、航空、军工、枪炮、汽车等行业中早已应用各种各样的阻尼器(或减震器)来减振消能。

  根据阻尼器工作原理不同可分为3种基本类型:与位移相关联的阻尼器、与速度相关联的阻尼器和复合型阻尼器。

  位移相关联的阻尼器简称位移型阻尼器,又分为金属阻尼器和摩擦阻尼器。其耗能要与位移相关,位移越大,耗能能力越强。这类阻尼器的位移滞回曲线为典型的双线型,能够增加结构的刚度,缩短自振周期,是能够良好控制结构位移的阻尼装置。

  速度相关阻尼器的阻尼与相对运动速度构成线性函数关系,具体有粘弹性和粘滞性两种特点。耗能能力与速度大小相关,变形速度越快,阻尼力越大;不能改变结构的周期,但能够增加结构的阻尼,在地震作用下能够减小结构基底剪力及层间位移。

  将不同类型的阻尼元件根据不同的实际工程需要进行合理的组合,就构成了复合型阻尼器。复合型阻尼器比普通单一机制阻尼器具有更大耗能能力和适应范围,可以由多个分支阻尼器协同耗能。并且,在同一个阻尼器中,采用多种不同机制进行耗能。

  不论是位移相关型、速度相关型还是复合型阻尼器,都是现代结构消能减震理论和技术的40多年的探索成果,是研究人员们围绕以各类阻尼器和以其为核心单元的消能减振结构体系构建不懈努力,在性能分析、参数优化、多功能复合、布置规划、新材料应用等多方面不断涌现出丰硕的创新技术和应用成果。

  此次上海中心大厦的阻尼器就是典型的复合型阻尼器。上海中心大厦是中国第一高楼、世界第二高楼,地上127层,地下5层,总高632米。其大厦顶楼的125-126层就是被称为“上海慧眼”的大型阻尼器。

  阻尼器重达1000吨,乃世界最重,由12根吊索、质量块、阻尼系统和主体保护系统四部分组成。阻尼器的质量块和吊索构成了一个巨大的复摆,通过与主体结构的共振,进而有效抵御大楼的晃动。该阻尼器是中国自主研发的摆式电涡流调谐质量阻尼器,可以抗7级地震和12级台风。

  2018年在台风“安比”登陆上海时,阻尼器摆幅达到40厘米至50厘米。在台风“利奇马”的影响下,上海中心大厦里的阻尼器摆动幅度达到将近50厘米。根据专家意见,阻尼器摆动幅度为2米,但至今还没有出现阻尼器的摆动幅度达到极限的情况。尽管当前上海依然在“台风圈”的覆盖范围之中,但阻尼器一直稳定削弱风力,也不至于对建筑造成安全影响。

  除了上海中心大厦的阻尼器,我国还拥有全球最大的风阻尼器,它安装在台北101大厦的88层至92层楼之间,直径达到5.5米,总重680吨。同时,它也是全球唯一外露式的风阻尼器,常有游客专程前往观看。

  阻尼器是对大楼遇到“强风”的一种安全保障。然而,尽管阻尼器对高层建筑减震具有重大作用。但总体上看,全球阻尼器采用率仍然较低。根据世界高层建筑与都市人居学会CTBUH的统计,截至2019年,世界前20名最高的建筑,仅有30%左右采用阻尼器。

  比如,同样是今年,5月18日,赛格大厦出现振动现象;5月19日下午,赛格大厦再次出现晃动;5月20日中午,部分深圳赛格大厦商户表示,多个楼层感受到晃动。5月19日,《深圳市福田区华强北街道赛格广场大厦摇晃的情况报告》发布。该报告认为,造成赛格广场大厦震颤的原因是多种因素耦合,主要是风的影响,还有地铁运行和温度的影响。

  赛格大厦地处广东省深圳市华强北,以拥有赛格电子市场而闻名全国。尽管经专家测量,赛格大厦倾斜率位于0.01%-0.02%之间,小于允许倾斜0.2%,远远小于规范要求。但是,赛格大厦作为当之无愧的高楼,却并未安装阻尼器,这无疑给其带来了相当的安全隐患。

  事实上,1990年以来,全球高楼建筑数量就呈现出持续上升的趋势,这也必然为高楼的安全带来更多挑战。200米以上高层建筑数量整体上升,2020年,全球高层建筑数量达1733座。CTBUH预测,2021年,全球高层建筑数量约达1858-1883座。

  从新增数量上看,CTBUH公布的数据显示,2020年,共有106座200m以上建筑竣工,与2019年的133座相比下降了20%,下滑的原因主要归咎于新冠疫情导致的停工。同时,CTBUH还预测,2021年建成的摩天大楼数量将在125座至150座之间增长,其中大部分位于中国。

  欧洲极端高温也好,郑州极端暴雨也好,极端天气正在变得常态化都是不可回避的事实。所谓的“n年一遇”的“n”正逐渐变小,“极端”已经不再是“正常”的绝对反面。

  然而,只要我们仍然将之称为“极端天气”,它就很难在决策者那里获得正常状态下应有的关注以及正确防范所需要的足够资源,因为经济理性人的潜意识里会觉得成本太大、而概率太小。因此,只有关注极端的正常化,正视极端的正常化,我们才能更好地避免下一次“极端”伤害的发生。

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