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「热点解读」摩天大楼如何稳如泰山?阻尼器功不可没

福瑞号2023-01-29 13:05:08投稿100
「本文来源:中国数字科技馆」
近日,上海全市普降大雨,局部暴雨。随着台风“烟花”逼近,上海维持大风大雨的天气,雨势时强时弱。“烟花”来势汹汹,上海摩天大楼如何稳如泰山?
原来,在中国第一高楼之称的上海中心大厦上,堪称“镇楼神器”的阻尼器开始出现摆动,给摩天大楼进行减振。
那阻尼器是什么?为什么小小的阻尼器能够使几百米高的大楼稳如泰山?
阻尼,其实是一种很常见的物理现象,简单来说就是对物体的运动造成阻碍,例如空气阻尼、油阻尼、粘滞阻尼、摩擦阻尼、涡流阻尼等,都是平时的生活中我们也经常遇到的,而阻尼器便是利用这种现象制作而成的一种实用工具。例如汽车内部常见的减震器,其实就是阻尼器的一种。
阻尼器可以理解为一种能量转换器。我们都知道能量守恒定律——也就是说在封闭系统里,能量是不会凭空消失或者产生的,但是能量是可以进行相互转化的。比如,汽车遇到坎发生上下振动,这个“动”,便是机械能,“动”引起弹簧发生形变,而形变的过程,一定会有一部分能量转换为弹簧内部的能量。
「热点解读」摩天大楼如何稳如泰山?阻尼器功不可没-图1
知道什么是阻尼器了,那么为什么高楼大厦需要阻尼器呢?
首先,导致大楼发生振动主要有两个原因,一个原因是地震了,那么大楼自然会发生振动,另一个原因就是风振效应。我国大部分建筑都没有位于地震带上,故在此仅介绍风振效应。
风振效应涉及到的知识非常复杂,我们简单介绍一下。拿起一张白纸,用嘴使劲吹一口风,你会感受到纸张发生了明显振动,同样的,超高建筑自建成之日起,每日都在经受这样的“摧残”,若不采取任何措施,先不说居住在内的人,建筑自己都受不了。
对于一般的由钢筋混凝土建成的大楼而言,钢筋本身具有弹性,我们可以将大楼看作是大型阻尼器,而越高的大楼,风振效应就越显著,大楼的结构强度已经不足以缓解振动了,这就需要某种手段来缓解振动,风阻尼器应运而生。
「热点解读」摩天大楼如何稳如泰山?阻尼器功不可没-图2
风阻尼器,一般叫调谐质量阻尼器。调谐质量阻尼器,一般有三部分构成,质量块、弹簧和阻尼系统(产生阻尼的装置)。
按照阻尼系统来分主要有:油阻尼、黏弹阻尼、黏滞阻尼、电涡流阻尼等。油阻尼是具有代表性最早使用的阻尼元素,但是由于液压油自身的品质特点,容易受温度的影响,阻尼系数就会发生变化。
除了电涡流阻尼器外,其余形式的阻尼都存在性质不稳定和需要经常维护的缺点。而电涡流调谐质量阻尼器采用电磁铁或者永磁体,由于不接触所以没有机械摩擦、不需要润滑、不需要维护。大楼往左偏,阻尼器就往右,这一左一右便成功地化解了楼梯的振动。上海中心大厦用的就是这种阻尼器,但有所创新。
据新闻报道,上海中心大厦采用的是世界首创的摆式电涡流调谐质量阻尼器。
「热点解读」摩天大楼如何稳如泰山?阻尼器功不可没-图3
所谓的摆式,就是类似钟摆一样,悬挂于空中进行摆动,若不加任何措施,摆动的钟摆会在空气阻力以及绳索的摩擦力作用下缓慢停止,但这个过程过于缓慢,我们需要为其附加一个强大的阻尼系统。
电涡流,便是该阻尼器采用的阻尼系统。当一块处于静止磁场中导体板以一定相对速度运动时,导体板中的磁通量发生变化,产生感应电流,也就是电涡流,其能够产生一个与静止磁场相反的磁场(感生电场)来阻碍导体板与静止磁场之间的相对运动。
在感生磁场与永磁体磁场的相互作用下,晃动的质量块很快就能将动能转化为内能,并且耗散掉,大楼也就归于平静了。
据上海中心大厦工作人员介绍,该阻尼器单边摆幅的极限是1米,可以削减强风下高层晃动,帮助超高层建筑保持楼体稳定和安全,可以令大厦内90%的人能感受到较大的舒适度。自2016年启用以来,上海中心大厦的阻尼器的摆动幅度还没有到达过极限状态。
凭借着重达1000吨的阻尼器,任你狂风暴雨,我自岿然不动。而上海中心大厦也因此成功地经受住了本次超强台风“烟花”的考验。
(作者:梁嘉骐)
科学性把关:中科院物理所副研究员,罗会仟。
参考资料:科技日报、新华网

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