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7月11日下午,台风"巴威"影响上海。
距离地面583米的上海中心大厦顶部,重达1000吨的阻尼器开始摆动。包裹在"上海慧眼"造型里的装置往复移动,灯光投射下运动轨迹清晰可见。
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中央气象台发布快讯,"巴威"于11日23时20分前后在浙江玉环市坎门街道登陆,中心附近最大风力13级,达40米每秒。12日0点前后,台风在温州乐清市清江镇再次登陆,最大风力13级,达38米每秒。
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台风天里,这座632米高楼顶部的巨型阻尼器,究竟发挥什么作用?
阻尼器明显摆动出现在7月11日下午4时。
那时"巴威"尚未登陆,但外围大风已影响上海沿海。中央气象台预计,上海沿海和杭州湾将出现9至11级大风,阵风可达12至13级。上海市气象台当天下午将台风预警升级为黄色。
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台风体型庞大,影响范围广。11日17时,"巴威"七级风圈半径仍达300至500公里。上海虽未处在台风眼附近,但高层建筑仍受外围强风影响。
地面与高空的风力差异明显。
近地面空气受建筑和树木摩擦阻挡,风速较小。高度上升后摩擦减弱,风速增大。阻尼器所在位置接近583米,远高于周围建筑。即使地面感觉风力尚可,楼顶也可能承受持续强风。
高楼还受紊乱气流影响。风绕过建筑时,两侧和背风面形成脱落的旋涡,推力随时间变化。当风力接近建筑振动频率时,晃动可能被放大,阻尼器正是为此准备。
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上海中心阻尼器由巨型质量块、吊索、阻尼系统和保护结构组成。质量块由12根约25米钢索悬吊,形成巨大复摆。
有人将其称为"镇楼神器",容易误解为用1000吨重物压稳大楼。
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实际原理更巧妙。建筑受外力振动时,阻尼器随之运动,其惯性力反作用于主体结构,减小振动响应。好比人在摇晃的船上调整重心,船向左倾,人向右移,抵消晃动。
阻尼器思路类似。大楼在强风中摆动时,质量块不会完全同步。经过调谐,它在建筑需控制的振动频率附近形成相位差,产生与大楼振动方向相抵的惯性力。
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大楼想往一边晃,阻尼器拖住它;大楼回摆,阻尼器继续吸收振动能量。
普通减震器常通过液压油或摩擦材料耗能。
上海中心阻尼器使用电涡流技术。质量块下方安装磁场装置和金属导体。质量块摆动时,磁体与导体相对运动,导体内部产生电涡流。根据电磁感应规律,电涡流产生的磁场阻碍相对运动。这种作用不会让质量块突然停下,而是平稳消耗机械能,将部分振动能量转化为热量。
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该装置无需直接接触,可减少磨损,便于调整性能。
阻尼器属于被动装置,只要大楼产生相应频率和幅度的运动,质量块就会自动响应。风力小时位移细微,风力增强后摆动幅度增加,人们才会看到它"动了"。
高层建筑在风中产生位移,是设计允许的正常现象。工程师不会将摩天大楼设计成绝对不动的刚性物体,那意味着极高材料消耗,结构也未必更合理。
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需控制两个层面。
一是结构安全,确保梁、柱、核心筒承受的荷载处于设计范围。
二是使用舒适度,即使建筑安全,楼顶晃动产生的加速度也可能使人头晕。
阻尼器可将风致峰值加速度降低约四成,把可感知的运动控制下来。
此前其他台风影响上海期间,这套阻尼器也曾明显摆动。阻尼器的每一下摆动,都是在帮助大楼少晃一点。
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