高層建築共振晃動 多招聯手防抖

近日(rì)，深圳市福田區高層建築賽格大(dà)廈出現晃動情況備受關注。随着我國(guó)各地的高層、超高層建築越來(lái)越多，建築物安全一直是廣受熱(rè)議(yì)的話(huà)題。我國(guó)對高層、超高層建築物，從(cóng)選址、設計(jì)、審批到施工(gōng)、監理(lǐ)、驗收等，都(dōu)有很嚴格的标準和規範。爲防止擺動、抗風(fēng)減震，高層建築在設計(jì)時也是各出奇招。

高層建築出現晃動正常嗎(ma)？

建築晃動的原因有多種，成因、所處的具體(tǐ)情況都(dōu)不完全相(xiàng)同，根據現有的研究，建築出現晃動，多爲共振導緻。共振，是指一個物體(tǐ)的振動，會帶動另一個物體(tǐ)的振動。二者的振動頻率越接近，共振産生(shēng)的振動幅度會越大(dà)。當一幢建築超過一定高度時，風(fēng)荷載作(zuò)用下引起的建築響應，可(kě)能比地震作(zuò)用下引起的響應更大(dà)。建築在風(fēng)的作(zuò)用下會産生(shēng)順風(fēng)向振動和橫風(fēng)向振動。順風(fēng)向振動就(jiù)是建築物順着風(fēng)的方向産生(shēng)的振動響應，是由風(fēng)荷載的脈動作(zuò)用使結構産生(shēng)的受迫振動。而橫風(fēng)向振動則是由于在風(fēng)的作(zuò)用下，在建築的後部形成漩渦，而這種建築後部兩側漩渦會以一定的頻率交替脫落，形成橫風(fēng)向的振動。當這種漩渦交替脫落的頻率和建築結構的固有頻率接近時，就(jiù)會形成共振現象，就(jiù)是所謂的“渦激共振”。共振作(zuò)用的來(lái)源，一般是風(fēng)力或地基作(zuò)用力，其中，地基作(zuò)用力的來(lái)源包括地震、地基變形、周圍施工(gōng)作(zuò)業等多種因素，所以建築在設計(jì)時，會充分(fēn)考慮外力因素導緻的晃動問(wèn)題。

建築雖看(kàn)起來(lái)是剛性結構，但(dàn)實際蘊含着很多柔性設計(jì)，本身(shēn)遇到大(dà)風(fēng)就(jiù)會晃動，所以爲了防風(fēng)減震，需要講究“剛柔并濟”，通過推力、壓力和水平力，讓建築把外部的能量“消耗”掉。通常，高層建築在設計(jì)階段會根據地區的風(fēng)壓、建築物形狀等各種數據做模拟測試。超高層建築一般還(hái)會做風(fēng)洞實驗，把建築物模型放(fàng)在風(fēng)洞裡(lǐ)，模拟各種風(fēng)下建築物的擺動和變形，以便保障外力引發的晃動在高層建築安全範圍内。

對抗高樓晃動靠什麽？

爲有效防止建築物“随風(fēng)起舞”，超高層建築都(dōu)是如(rú)何實現防風(fēng)減振的呢(ne)？

從(cóng)建築設計(jì)方面來(lái)說(shuō)，合理(lǐ)的選型有利于抵抗風(fēng)荷載和地震作(zuò)用。建築的矩形截面靠近邊緣處的風(fēng)力比中部風(fēng)力更大(dà)，采用更接近流線型的截面，有利于減小邊緣處風(fēng)荷載，進而減小建築物受到的總風(fēng)力。

從(cóng)建築結構方面來(lái)講，要想建造穩固的建築，離(lí)不開合理(lǐ)的結構。摩天大(dà)樓的建築結構，多爲下粗上細的錐形結構體(tǐ)型。杭州世紀中心就(jiù)以結構取勝，以流線型設計(jì)實現風(fēng)力的自(zì)然導流。從(cóng)遠(yuǎn)處看(kàn)，杭州世紀中心的雙塔建築形成了一個大(dà)大(dà)的字母“H”，這是以杭州拼音首字母爲藍本的建築，其兩棟主樓之間的底部爲跨度約60米、高度約22米的鋼結構連橋。杭州世紀中心的結構體(tǐ)系充分(fēn)利用了剛性核心筒的阻尼和質量特性，并采用延性周邊抗彎框架以分(fēn)别減少動态風(fēng)力和消散地震能量。如(rú)果從(cóng)上空俯瞰，會發現杭州世紀中心雙塔建築的平面是兩個橄榄球狀。正是利用這種流線型結構設計(jì)，當風(fēng)吹過建築時，會實現自(zì)然導流，建築面受到的直接作(zuò)用力很小。杭州世紀中心的設計(jì)團隊在前期對其進行過風(fēng)洞試驗，進一步驗證了整體(tǐ)結構設計(jì)的安全可(kě)靠。

從(cóng)建築裝置方面來(lái)講，安裝阻尼器是高層建築常見(jiàn)的防抖方式。當建築達到一定高度時，純粹靠提高結構抗側力體(tǐ)系剛度的方法收效欠佳，一些超高層建築會在樓内添加阻尼器來(lái)減輕結構的振動響應。阻尼器是以提供運動的阻力來(lái)耗減運動能量的裝置，包含調諧質量阻尼器、調諧液體(tǐ)阻尼器、金屬阻尼器等。阻尼器主要有3種形式：第一種是在大(dà)樓的支撐柱之間加入一個交叉斜撐，用來(lái)減小支撐杆柱的變形，進而減小振動幅度；第二種是在牆體(tǐ)之中加入黏滞材料，利用黏滞材料吸收振動能量，從(cóng)而讓振動變弱；第三種是在建築物的頂端吊一個質量塊，質量塊的擺動方向與建築物的振動方向相(xiàng)反，從(cóng)而消減振動。

近年(nián)來(lái)，随着高樓的興起以及極端天氣的頻發，爲了減少可(kě)能的晃動對大(dà)樓内人(rén)員(yuán)的影(yǐng)響，不少高樓都(dōu)會選擇安裝阻尼器，例如(rú)平安金融中心設置了兩台分(fēn)别重達500噸的混合式阻尼器。在地震、強風(fēng)時，阻尼器能夠在電腦和電機(jī)的控制下朝反方向運行，吸收風(fēng)力和地基作(zuò)用力産生(shēng)的能量，避免共振導緻建築振幅不斷擴大(dà)，減輕建築受到的損傷，發揮相(xiàng)當于天平砝碼的作(zuò)用。

上海中心大(dà)廈也做了一個1000噸的阻尼器放(fàng)在頂層。該大(dà)廈是中國(guó)第一高樓、世界第二高樓，地上127層，地下5層，總高632米。大(dà)廈頂樓的125-126層就(jiù)藏着一個鎮樓神器——有“上海慧眼”之稱的大(dà)型阻尼器。該阻尼器高度有7.7米，底座直徑有9.1米，采用的材質是琉璃玉和鋼，是世界首個擺式電磁渦流調諧質量阻尼器，由上海材料研究所自(zì)主研發而成。該阻尼器爲世界最重，由12根吊索、質量塊、阻尼系統和主體(tǐ)保護系統四部分(fēn)組成。阻尼器的質量塊和吊索構成了一個巨大(dà)的複擺，通過與主體(tǐ)結構的共振，有效抵禦大(dà)樓的晃動。

上海每年(nián)夏秋季都(dōu)會受台風(fēng)困擾，強台風(fēng)侵襲對于上海中心這樣的超高層建築是個巨大(dà)的挑戰，而阻尼器對于抵抗台風(fēng)發揮着很大(dà)的作(zuò)用。強風(fēng)來(lái)臨時，它的最大(dà)擺幅可(kě)以達到1-1.2米，能通過自(zì)身(shēn)感應實現與大(dà)樓搖擺的反方向運行，有效降低大(dà)樓擺動幅度和加速度，以提供良好的舒适度和安全性。

另外，上海中心的阻尼器除了具有穩定功能以外，也是一個具有參觀價值的雕塑藝術(shù)品，阻尼器上部的雕塑造型狀似“一隻眼睛”，設計(jì)靈感源于《山(shān)海經》的“燭龍之眼”，引發遊客紛紛駐足。

技術(shù)創新讓“小蠻腰”不“扭腰”

除了常用的方式以外，一些建築還(hái)有其獨特的減震方式。廣州塔設計(jì)的結構安全問(wèn)題是塔身(shēn)的腰部太細。廣州是台風(fēng)頻發的區域，那麽，大(dà)風(fēng)到來(lái)，“小蠻腰”會“扭腰”嗎(ma)？答案是否定的。

廣州塔創新設計(jì)出世界領先的TDM兩級主被動複合調諧減震控制系統——在438-448米标高層利用核心筒兩邊各一個650噸容量的鐵制消防水箱作(zuò)爲TDM減震系統塊，在水箱下面安裝滑輪和軌道。兩個水箱上部各安裝了一台重達50噸的直線電機(jī)主動控制裝置，根據塔身(shēn)搖擺的精确數值，自(zì)動調整運動模式，進一步降低塔身(shēn)的搖擺幅度。

當塔身(shēn)晃動時，水箱通過傳感器向反方向滑動，以此來(lái)消減塔身(shēn)的晃動幅度。加上這個系統，廣州塔減掉了40%的風(fēng)振，同時保證了塔内通信設施、娛樂設施的正常使用。

減震技術(shù)的應用和推廣對于建築物安全和人(rén)民(mín)的生(shēng)命财産安全都(dōu)有着重要意義。這次賽格大(dà)廈的晃動，無疑引起人(rén)們對建築安全的更高需求。近幾年(nián)來(lái)，減震技術(shù)和消能技術(shù)逐步從(cóng)基礎研究轉向了實際應用方面，建築物的震動、減震和隔震控制，成爲建築業改革創新的難以回避的過程。而從(cóng)疫情暴發對健康社區的關注，再到如(rú)今對建築防震功能的訴求，也體(tǐ)現着人(rén)與城(chéng)市、人(rén)與建築關系的不斷重塑。