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能抗住超强台风吗?灿都来袭,上海中心大厦1000吨阻尼器摆动

据《新闻晨报》2021年9月13日报道,“位于上海中心大厦楼顶重达1000吨的电涡流阻尼器再次出现摆动,用来抵消狂风给大楼带来的摇摆,顶部雕塑“上海慧眼”的摆动肉眼可见”。

从视频展现的画面来看,站在126层时有一种眩晕感,但这并不是因为大楼晃动,而是由于缺乏参考系,一时间难以区分到底是大楼在动还是阻尼器在动!超强台风来袭,大楼究竟能不能抗住“灿都”?

超强台风灿都究竟会给上海中心大厦多大威胁?

2021年9月7日8时,第十四号台风“灿都”在西北太平洋洋面生成时看上去人畜无害,风力8级,热带风暴而已,但到了9月8日5点时,灿都已经连升三级,从台风、强台风跨越到了超强台风级别,其升级速度让人叹为观止。

而且其移动速度达到了25千米/小时,西北太平洋到浙江沿海仅用了6天时间,速度也超出了想象,它一路从菲律宾,擦过我国台湾省北上,9月13日已经来到了嵊泗列岛外围,距离上海市区月195千米。

上海中心大厦遭遇的风力究竟有多大?

从灿都的中心到上海中心大厦大约169千米左右,在7级风圈内,风速大约在13.9~17.1m/s左右,从这些参数来看,似乎风速并不高,但这只是表示持续风速,因为城市建筑群的风洞效应,可能会让瞬时风速远远超过持续风速。

因此这是必须要考虑的一个特殊情况,而且上海中心大厦所在的陆家嘴高楼林立,那些矗立的大厦基本都能在全球高楼排上名号。因此风洞效应产生的瞬时很高的风速也很正常,那么上海中心大厦究竟能抗住多高的强风呢?

上海中心大厦的500米高度处抗风等级为50m/s,相当于多少级台风呢?

大约是15~16级,看来即使是“灿都”台风中心从陆家嘴通过都没啥大问题,而且灿都现在的风速已经有所下降,大约在42米/秒。

所以保证安全似乎并没有什么问题,但问题这样就足够了吗?

上海中心大厦,到底有多少手段来抵抗灿都?

现代大楼很少有像金字塔形状设计,在强风中巍然不动的!为了保证其功能性以及美观等多方的考虑,都都会设计得又高又细,比如上海中心大厦就高达632米,因此就不得不考虑几个问题,首先就是地震时的抗震问题,另一个则是强风时的风振问题。

前者比较好理解,但后者相信各位经过了虎门大桥和深圳赛格大厦的晃动,也应该能理解涡振这个概念,因为大楼的形状会导致经过大楼的涡流脱落与大楼的固有振动频率一致或者谐振频率接近时就会发生振动。

有时候会非常致命,比如著名的塔科马大桥就是这样倒塌的,而深圳赛格大厦也吓得所有人员从大楼内跑出来,因此将这些振动消弭于无形是大楼设计时必须要考虑的问题。一般会通过如下几个方面设计来解决这个棘手的问题!

1、风洞外形修形达到抗风目的

2、大楼结构阻尼设计达到抗风目的

3、主动阻尼控制抵消达到抗风目的

各位一定发现了一个比较有趣的现象,上海中心大厦流线型非常特殊,大楼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,这个会让风吹过大楼时脱离的时间与频率都不一致,因此难以形成一个统一的频率,从空气动力学效应上就会降低了这种涡振产生的可能!

另一个则是大楼在设计时加入的各种结构阻尼措施,这种措施可以追溯到很久以前,比如1930年代建造的帝国大厦,尽管看上去没有单独的阻尼设计,但其实通过内外壁建材的差异,已经达到了结构阻尼的目的。

而到了后期由于大楼更高,结构也更复杂,但由于技术的进步,结构阻尼的花样也在增加,比如世贸双子大厦采用的是粘弹性阻尼器,这种结构件不了解的朋友根本就不知道居然能提供阻尼。

到了后期的一些大厦中使用的钢结构和水泥 结构件之间的阻尼不同变形程度来提供大型结构的阻尼,比如香港中银大厦和上海环球金融中心,当然后者更不容易看出来,巨型结构柱、巨型斜撑和环带桁架中,巨型斜撑内灌混凝土,不仅增加了结构的刚度和阻尼,还能防止斜撑侧板屈曲。

当然各位熟悉的液压阻尼或者剪力墙结构与USD防震装置阻尼器等都是常见的结构阻尼装置,当然这些结构或者设备的目的就是吸收建筑物形变,避免产生更大振动。

抗震的最后一招:主动阻尼装置

对于更高的大楼则会有更高的要求,比如像上海中心大厦就用了一个1000吨级的配重来稳定大楼,这里有个非常有趣的现象,比如像深圳赛格大厦的楼顶的有一个游泳池,它的存在可不只是游泳池,还有镇楼神器的作用。

在大楼顶部设计一个大质量的物体,有利于稳定整栋大楼,减轻大楼的晃动率帮助非常大,这原理从上面动图中中即可看出!

当然如果能将这个配重设计在超级计算机控制下以晃动的反方向运动抵消晃动那无疑是最合适的,而上海中心大厦在125~126层、重达1000吨的主动阻尼装置,通过自身的惯性和阻尼来消耗风荷载对结构产生的能量,从而减少结构的响应。

因此在设计风速50米/秒的强风下,灿都这7级风速完全不成问题,即使短时间内阵风也能从容不迫的应付,相信灿都无论是路过还是正面登陆,上海中心大厦是完全么有问题的。