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上海中心大廈632米高,刮台風時擺動超過1米4,煙花來了怎麼辦?超高層建築如何抗震與抗台風?上海中心大廈:1000噸“慧眼”鎮樓

2021年5月18日,深圳賽格大廈發生搖晃,幅度比較大,樓内人員擔心大廈倒塌而全部撤離,事發時周圍沒有地震,沒有施工,風速也僅為5級,是以圍觀群衆在一臉懵逼中散場,畢竟大家最多也就胡亂猜測是什麼原因。

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經過2個月的調查,7月15日結果出爐,陣風引起了賽格大廈頂部的桅杆振動,與大廈固有頻率耦合,導緻賽格大廈的振動。

台風來襲:比賽格大廈更高的上海大廈,究竟會怎樣?

2021年7月24日17點,煙花台風位于東經124.20°,北緯27.50°東海海面上,距離浙江省象山縣東南方向約310千米,預計将于25日下午到夜間在浙江舟山到玉環一帶沿海登陸,登陸風力可達台風或者強台風級。

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上海離登陸地不過區區100多千米路程,差不多就在煙花的十級風圈之内,中國最高的大樓-上海中心大廈就在上海陸家嘴,其高度632米,總共有128層,重達85萬噸!中國第一,全球第二,僅次于迪拜哈裡發塔,台風來襲,上海中心大廈怎麼辦?

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按理說重達85萬噸的大樓根本就不怕什麼台風吹,畢竟當重量達到一定程度時本身就是一種不可忽視的存在。不過事實上卻完全不是這樣,據說台風來襲時,上海中心大廈将會出現晃動,最大晃動幅度可達1.4米。

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因為建築物不是一座山,它是具有社會功能的、有棱有角的建築,為了保證其社會功能,會用最大化可利用的空間,還有最節省的方式來設計建造,是以就會存在各種各樣的問題,是以它在設計與建造時必須避開很多坑。

<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="28">超高層建築如何抗震與抗台風?</h1>

建築物在設計時就必須要考慮一個非常重要的因素,就是空氣動力學,因為現代建築環境非常複雜,比如建築物越來越高以後就要考慮風動變形,因為建築本身不是一個剛體,它的大尺度結構在風中會變形,這個風振響應的頻率可能會共振。

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也有可能因為渦旋脫落引起的渦振進而導緻建築物振動,是以解決辦法有兩個,一個是設計時盡量避免,比如建造模型在各種風速以及周圍建築複雜環境下吹風洞,然後利用超級計算機來取得最佳修形的建築。

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而另一個則是建築物内部結構來防止共振了,早期的中低層建築都是以半剛體的模式設計的,最多也就考慮熱脹冷縮的伸縮縫,但建築物越來越高,鋼筋水泥這種“剛體”在風和地震面前不值一提,甚至在高層建築上還能甩出面條的效果。

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如何來防止呢,大緻也有兩種方式,一種是成本比較低的結構阻尼來實作,另一種則是成本相對較高,但效果更好地主動抗震來實作。

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結構阻尼了解起來不難,最典型的就是在建築物某些位置設定吸能裝置,就像載重汽車的彈簧扁擔或者液壓粘滞阻尼器,使得建築物在被風吹動或者地震時吸收這些搖晃的能量,進而達到快速降低振動的目的。

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當然結構阻尼不止這一種,早期381米高的帝國大廈(1931年建成),外牆壁均采用磚或石材,内部隔牆采用磚或砌塊,通過計算發現,這些于非結構構的材料組合能提供足夠的阻尼。

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不過到了幕牆結構的世貿中心(世貿雙子大廈,911事件中倒塌),采用的是龍骨結構,沒有隔牆提供阻尼,是以粘彈性阻尼器首次引入超高層建築,樓面桁架的下弦與外框筒之間,安裝了粘彈性阻尼器。

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粘彈性阻尼

香港中銀大廈的結構件比較有意思,它的斜撐僅與自己平面内的柱相連,而不同平面内的柱并未通過節點闆直接連接配接,而是通過混凝土将其捆綁在一起,混凝土和鋼結構一起形成了阻尼結構。

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上海環球金融中心是空間桁架結構:巨型結構柱、巨型斜撐和環帶桁架中,巨型斜撐内灌混凝土,不僅增加了結構的剛度和阻尼,還能防止斜撐側闆屈曲,也是類似于中銀大廈的設計,當然兩者都是Robertson的裡程碑式作品,沿用成熟設計降低成本這是必然。

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主動阻尼裝置

主動阻尼裝置則是利用傳感器感覺大樓的晃動方向與強度,然後利用配重做出相反的運動,将晃動的能量消弭于無形,是以在大樓中會有一個巨型配重才能将大樓晃動的能量抵消,那麼問題來了,是放在樓頂呢還是樓中或者樓底?

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可能很多朋友會認為,必須要在大樓底部才能鎮住整棟樓不是嗎?但這完全錯了,就像頂一個平衡杆保持時你會發現頂部重量比較大的平衡杆更容易保持,因為品質大,同樣能量下位移就小,不容易晃動。

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是以要晃動也難,而晃蕩起來也隻要小幅度調整,比如深圳賽格大廈晃動時據說樓頂的遊泳池被放幹了正在維護也有關系,因為賽格大廈沒有涉及主動阻尼裝置,樓頂的遊泳池有部分阻尼作用。

<h1 class="pgc-h-arrow-right" data-track="18">上海中心大廈:1000噸“慧眼”鎮樓</h1>

上海中心大廈建築非常具有特色,它的識别度極高,因為從底部開始到頂部是一個不斷扭轉且大小快速改變的形狀,首先從外觀上來看這是一個空氣動力學上考慮了渦旋脫落,每個高度上的漩渦脫落頻率将會發生變化,每個高度都不一樣,這樣就難以形成共振。

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另一個則是結構阻尼設計,比如主體結構中的巨型架構—核心筒—伸臂桁架。最大化增大水準荷載(如風荷載)抵抗,以及重力抵抗。外幕牆支撐體系中的懸挂結構加徑向撐杆(每層向上旋轉1度)加水準斜撐,另外再通過伸縮支座減小幕牆結構與主體結構之間的變形差等。

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除了這些設計以外,還有主動阻尼裝置,這就是在125~126層、重達1000噸的主動阻尼裝置,通過自身的慣性和阻尼來消耗風荷載對結構産生的能量,進而減少結構的響應。台北101大樓也使用了類似的主動阻尼裝置,不過規模上要比上海中心大廈要小一些。

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盡管上海中心大廈的阻尼裝置宣傳是“世界首創的擺式電渦流調諧品質阻尼器”,但原理上并沒差多少,被稱為小蠻腰的廣州塔是阻尼裝置則同時被改造成了防水箱,在廣州塔頂層的安裝了兩個各 540 噸容量的鐵質消防水箱,水箱下面裝有軌道并帶有控制裝置,平時當阻尼器用,當塔身晃動時,水箱受計算機控制向反方向滑動以消除塔身的晃動。

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海中心大廈的抗住了“利奇馬”和“安比”台風的襲擊,這次在浙江兜圈圈的“煙花”就小意思了,相信不會出什麼幺蛾子。

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阻尼裝置是現代高樓應對地震與台風的法寶,否則即使結構強度足夠,在大幅晃動之下,人也難免頭暈,而地球上最高的建築物哈利法塔已經達到828米,未來不知道是否會出現1000米的建築,又将會用到什麼阻尼技術呢?