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上海中心大厦顶部,接近600米的高空,一个重达1000吨的庞然大物,正在肉眼可见地摆动。
8月9日下午,随着今年第13号台风“白海豚”进一步逼近华东沿海。根据上海发布,中国第一高楼上海中心大厦的阻尼器已经出现明显摆动。1000吨是什么概念?差不多相当于几百辆家用轿车的重量,这么一个大家伙被吊在接近600米的高空,现在还来回晃起来了。
那么,这个阻尼器究竟有什么作用呢?
上海中心大厦高632米,这么重的东西,为什么要放到楼顶附近?
对于超高层建筑而言,越接近顶部,风引起的摆动通常越明显。建筑虽然看起来像一根纹丝不动的钢筋混凝土柱子,但从工程力学角度来看,它并不是绝对刚性的。
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风一吹,楼会动。只不过平时这个幅度非常小,人们很难从地面肉眼发现。上海中心高度达到632米,遇上台风、强阵风等天气时,建筑顶部的风振效应更加值得重视。于是,工程师在大厦高处安装了一套巨型摆式电涡流调谐质量阻尼器。
这个质量块重达1000吨,由12根长度约25米的钢索悬挂,质量块和吊索共同组成一个巨大的复摆。整个装置位于上海中心125层附近。
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大家常把整个千吨阻尼器叫作“上海慧眼”,严格来说,位于阻尼器上方的那件眼睛状艺术雕塑才叫“上海慧眼”,雕塑自身重约7吨。因为两者融为一个完整的展示空间,久而久之,媒体和网友也经常把“上海慧眼”当成整套阻尼系统的昵称。真正承担减振任务的核心,还是下面那个千吨质量块。
现代超高层建筑本身就允许在设计范围内发生一定程度的弹性变形,真正需要控制的是振动幅度、加速度以及振动持续时间。这时候,1000吨巨摆就派上用场了。
假设大楼在风力作用下向一个方向摆动,由于惯性,巨大的质量块不会完全跟随楼体同步运动,而会形成相对运动。通过精确调节阻尼器自身的振动特性,使它针对大楼主要的摆动频率产生响应,就能利用千吨质量形成反作用效果,把楼体的一部分振动能量“吸”走。
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所以,外面的风越明显,大楼受到的风力作用越强,这个巨摆的运动也可能越容易被肉眼看到。原本可能更多传递给建筑的振动,正在被它承担和消耗。
所以用一句通俗的话概括就是,以动制动。
如果上海中心只是吊一个1000吨的大铁块,其实还称不上真正的“神器”。它真正特殊的地方,在于电涡流阻尼。
普通钟摆大家都见过,推一下以后,它会左右摆动很长时间,然后在空气阻力和摩擦作用下慢慢停下来。但对于一套超高层建筑减振系统而言,仅靠自然摩擦显然不够。
上海中心采用的方法非常巧妙,在巨型质量块下方布置磁场源与金属板。当阻尼器发生相对运动时,金属导体在磁场中运动,磁通量发生变化,从而形成电涡流。按照电磁感应规律,产生的效应会阻碍这种相对运动。
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原本来自台风和建筑振动的一部分机械能,就这样经过电磁过程,最终以热能等形式逐渐耗散掉,相当于给1000吨巨摆装上了一套看不见的“电磁刹车”。数据显示,这套装置能够让风致峰值加速度降低超过43%。
正因为如此,上海中心顶部的人体舒适度能够得到明显改善。对于摩天大楼来说,这一点非常重要。因为一栋楼达到500米、600米以后,如果没有这种“镇楼神器”,里面的人可能因为持续低频摇晃感到头晕、恶心甚至产生类似晕船的感觉。
根据中央气象台9日17时10分发布的台风快讯,“白海豚”目前的强度还是14级强台风级,近中心最大风力可达每秒45米。
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随着“白海豚”的到来,它巨大的风圈给华东带来了大风影响。在这种大风的影响下,上海中心大厦的阻尼器出现了明显摆动。
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科技日报报道,在2024年,台风“贝碧嘉”影响上海期间,上海中心千吨阻尼器的摆幅一度超过1米,当时现场画面同样非常震撼。当然,上海中心阻尼器周围设置有限位保护结构,以避免在极端情况下质量块运动超出允许范围、碰撞周边设施。
千吨阻尼器发挥了它的作用,但这并不是上海中心大厦应对强风的全部。一栋632米高的超高层建筑,要想经受沿海城市复杂的风环境,第一道防线始终是建筑自身。
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仔细观察上海中心,会发现它并不像传统摩天楼那样四四方方。整座建筑随着高度增加不断收分,而且外立面呈螺旋状旋转,这个造型并不只是为了好看。
上海建工介绍,上海中心外幕墙采用向上收分并整体旋转约120度的设计,通过风洞试验和结构优化,这种造型可以使建筑主体所承受的风荷载降低约24%。
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空气流过普通方形高楼时,建筑两侧容易形成规律脱落的涡旋。如果这种风致激励接近建筑自身振动频率,就可能让摆动进一步增强。而上海中心不断旋转、收缩的外形,会扰乱这种规则的气流组织,让风更难持续用同一种节奏去推大楼,从而更好保障大厦安全。
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