1000吨慧眼为何放到楼顶？摆动1米4？上海中心大厦如何抗击烟花？

2024-07-30 02:53:27

从7月25日开始，上海中心大厦125层的“慧眼”开始有节奏的摆动，以削弱台风“烟花”给大楼带来的冲击，据资料称，“慧眼”曾在2019年利奇马直接冲击下摆动幅度曾达到1.4米，它究竟是保护大楼的？为何会放在125层那么高的位置，不怕重心不稳吗？

高楼抗风抗震的顶级装备：主动阻尼装置

在大家的印象中，钢筋水泥结构需要抗震设计的，毕竟这大地震实在太可怕，所以对建筑物抗震十分重视，但大楼居然需要抗风，实在有些超出想象！

但经历过2020年5月份虎门大桥涡振和2021年5月份赛格大厦晃动后，大家已经有了一个非常统一的认识，庞大的犹如刚体的建筑物，居然也会随风而动，犹如一条彩带在风中凌乱，实在让人有些大跌眼镜。

可怕不？

原因专家们也说了，形成的因素有几个，比如风压变形的结构响应与涡流脱落的频率与建筑物本身固有频率共振，从而导致建筑物在强风吹动下造成剧烈晃动，人在这种状态下的建筑物内工作，即使建筑物仍然安全，仍然会严重不适，严重的能造成建筑物使用寿命受损甚至倒塌。

如何来解决这种问题？

有两个方式，一个是预防，一个是吸收，思路很简单，但解决很难，最好的解决方法无疑是预防，那么对于这种暴露地球表面的建筑物又不能加盖子，如何来预防呢？

最暴力的无疑是结构加强，当它强壮到一定程度时无论是地震还是风吹都不可能破坏它，但很显然，作为具有社会性功能的建筑物不可能达到这样的程度，因此就必须有一个妥协。

建筑物外表修形后吹风洞，比如能找到一种在复杂环境下，比如高楼林立或者鹤立鸡群的环境中都能保持合适的条件不至于产生能让建筑物振动的形状，比如金字塔形，当然大部分情况下都不可能选择金字塔这种四平八稳型。

像上海中心大厦的的那种外形无疑非常骚气，从底部开始到顶部是一个不断扭转且大小快速改变的形状，但这样设计并不只是为了美观，而是完美解决了涡流脱落引起共振的问题，因为不同高度上涡流脱落的频率会变化，这样就很难形成共振。

另一个则是吸收，对于风来说，随时都可能吹到建筑物上，各种风向都能吹一遍，但地震却不行，因为你不知道它啥时候来，这个“预”就免了，只能防，而地震和风吹的振动都是让将建筑物产生晃动，因此将这些能量耗散在建筑物内部不就可以了？

这样理解完全没有问题，因此对于建筑物的晃动能量吸收有一个专用名词，叫做阻尼，就是我让你晃动不那么容易，根据阻尼分有有结构阻尼和主动阻尼两种。

前者比较容易理解，就是在设计时候假如阻尼结构在让晃动加速度降低，从而消弭于无形，简单的理解有些像汽车的避震，但建筑物的“避震”可就没有那么直观了，而是可能隐藏在我们无法理解的结构中。

比如早期的帝国大厦结构阻尼是内外壁不同材料达到阻尼的目的，但后来建筑物发展到了龙骨结构，没法像帝国大厦那样粗暴的结构，新的不需要隔墙，在龙骨上使用的粘弹性阻尼器进入了各位的视野，如果不是专业人士，你完全看不出这种简单的结构居然有阻尼作用。

usd位移型防震阻尼器

当然另一种在桁架结构或者桥梁建筑中的粘滞耗能阻尼器就比较简单粗暴了，它就是流体通过节流孔时会产生粘滞阻力的原理，不同于避震器，但很相似。

粘滞耗能阻尼器

还有则是向超高楼层中的巨型结构件连接时候的阻尼装置，一般出现在巨型结构柱、巨型斜撑和环带桁架中，比如利用混凝土连接这些结构达到阻尼目的，也有利用结构件中加入位移型防震阻尼器，也有在梁柱间设计阻尼器，或者直接加入防震垫等等，

图四是梁柱间阻尼器

主动阻尼结构

在强风或者强震作用下，这些固定的阻尼结构能解决的问题也是有限的，当结构阻尼无法满足需要时，主动阻尼装置就该出马了，它的原理很简单，就是利用配重块的反向运动抵消晃动。

而这几乎是超高层建筑的标配，被称为调谐质量阻尼器（Tuned mass damper，TMS），上海中心大厦、上海环球金融中心、台北101大厦的高层建筑中都装有这种调谐质量阻尼器，而上海中心大厦的阻尼器则重达1000吨，是上海材料研究所自主研发的电涡流调谐质量阻尼器。

上海中心大厦阻尼器单边摆幅的极限是1米。2019年的台风“利奇马”影响期间，阻尼器单边摆幅超过50厘米，瞬时峰值一度达到了70厘米，摆幅创下上海中心大厦启用以来的最大纪录。

位于584米、上海大厦126层有一个“巅峰632”艺术大厅，而在大片流线型的空间中央有一个矗立在中央、高达7米多的巨型雕塑：“上海慧眼”，这就是上海中心大厦主动阻尼器所在，不过这只是一个艺术装饰，它真正的动作器在125层，只是已经被结构包围，无法直接看到。

101大厦的阻尼器

上图是台北101大厦660吨的主动阻尼装置，2015年8月8日超强台风苏迪罗席卷台湾时，阻尼器发生的巨大摆动。当时中心风速达到240km/h，阻尼器的摆动达到了100厘米，以补偿强风产生的晃动。