高層建筑共振晃動 多招聯(lián)手防抖

近日，深圳市福田區(qū)高層建筑賽格大廈出現(xiàn)晃動情況備受關(guān)注。隨著我國各地的高層、超高層建筑越來越多，建筑物安全一直是廣受熱議的話題。我國對高層、超高層建筑物，從選址、設計、審批到施工、監(jiān)理、驗收等，都有很嚴格的標準和規(guī)范。為防止擺動、抗風減震，高層建筑在設計時也是各出奇招。

高層建筑出現(xiàn)晃動正常嗎？

建筑晃動的原因有多種，成因、所處的具體情況都不完全相同，根據(jù)現(xiàn)有的研究，建筑出現(xiàn)晃動，多為共振導致。共振，是指一個物體的振動，會帶動另一個物體的振動。二者的振動頻率越接近，共振產(chǎn)生的振動幅度會越大。當一幢建筑超過一定高度時，風荷載作用下引起的建筑響應，可能比地震作用下引起的響應更大。建筑在風的作用下會產(chǎn)生順風向振動和橫風向振動。順風向振動就是建筑物順著風的方向產(chǎn)生的振動響應，是由風荷載的脈動作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的受迫振動。而橫風向振動則是由于在風的作用下，在建筑的后部形成漩渦，而這種建筑后部兩側(cè)漩渦會以一定的頻率交替脫落，形成橫風向的振動。當這種漩渦交替脫落的頻率和建筑結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，就會形成共振現(xiàn)象，就是所謂的“渦激共振”。共振作用的來源，一般是風力或地基作用力，其中，地基作用力的來源包括地震、地基變形、周圍施工作業(yè)等多種因素，所以建筑在設計時，會充分考慮外力因素導致的晃動問題。

建筑雖看起來是剛性結(jié)構(gòu)，但實際蘊含著很多柔性設計，本身遇到大風就會晃動，所以為了防風減震，需要講究“剛?cè)岵保ㄟ^推力、壓力和水平力，讓建筑把外部的能量“消耗”掉。通常，高層建筑在設計階段會根據(jù)地區(qū)的風壓、建筑物形狀等各種數(shù)據(jù)做模擬測試。超高層建筑一般還會做風洞實驗，把建筑物模型放在風洞里，模擬各種風下建筑物的擺動和變形，以便保障外力引發(fā)的晃動在高層建筑安全范圍內(nèi)。

對抗高樓晃動靠什么？

為有效防止建筑物“隨風起舞”，超高層建筑都是如何實現(xiàn)防風減振的呢？

從建筑設計方面來說，合理的選型有利于抵抗風荷載和地震作用。建筑的矩形截面靠近邊緣處的風力比中部風力更大，采用更接近流線型的截面，有利于減小邊緣處風荷載，進而減小建筑物受到的總風力。

從建筑結(jié)構(gòu)方面來講，要想建造穩(wěn)固的建筑，離不開合理的結(jié)構(gòu)。摩天大樓的建筑結(jié)構(gòu)，多為下粗上細的錐形結(jié)構(gòu)體型。杭州世紀中心就以結(jié)構(gòu)取勝，以流線型設計實現(xiàn)風力的自然導流。從遠處看，杭州世紀中心的雙塔建筑形成了一個大大的字母“H”，這是以杭州拼音首字母為藍本的建筑，其兩棟主樓之間的底部為跨度約60米、高度約22米的鋼結(jié)構(gòu)連橋。杭州世紀中心的結(jié)構(gòu)體系充分利用了剛性核心筒的阻尼和質(zhì)量特性，并采用延性周邊抗彎框架以分別減少動態(tài)風力和消散地震能量。如果從上空俯瞰，會發(fā)現(xiàn)杭州世紀中心雙塔建筑的平面是兩個橄欖球狀。正是利用這種流線型結(jié)構(gòu)設計，當風吹過建筑時，會實現(xiàn)自然導流，建筑面受到的直接作用力很小。杭州世紀中心的設計團隊在前期對其進行過風洞試驗，進一步驗證了整體結(jié)構(gòu)設計的安全可靠。

從建筑裝置方面來講，安裝阻尼器是高層建筑常見的防抖方式。當建筑達到一定高度時，純粹靠提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系剛度的方法收效欠佳，一些超高層建筑會在樓內(nèi)添加阻尼器來減輕結(jié)構(gòu)的振動響應。阻尼器是以提供運動的阻力來耗減運動能量的裝置，包含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、調(diào)諧液體阻尼器、金屬阻尼器等。阻尼器主要有3種形式：第一種是在大樓的支撐柱之間加入一個交叉斜撐，用來減小支撐桿柱的變形，進而減小振動幅度；第二種是在墻體之中加入黏滯材料，利用黏滯材料吸收振動能量，從而讓振動變?nèi)酰坏谌N是在建筑物的頂端吊一個質(zhì)量塊，質(zhì)量塊的擺動方向與建筑物的振動方向相反，從而消減振動。

近年來，隨著高樓的興起以及極端天氣的頻發(fā)，為了減少可能的晃動對大樓內(nèi)人員的影響，不少高樓都會選擇安裝阻尼器，例如平安金融中心設置了兩臺分別重達500噸的混合式阻尼器。在地震、強風時，阻尼器能夠在電腦和電機的控制下朝反方向運行，吸收風力和地基作用力產(chǎn)生的能量，避免共振導致建筑振幅不斷擴大，減輕建筑受到的損傷，發(fā)揮相當于天平砝碼的作用。

上海中心大廈也做了一個1000噸的阻尼器放在頂層。該大廈是中國第一高樓、世界第二高樓，地上127層，地下5層，總高632米。大廈頂樓的125-126層就藏著一個鎮(zhèn)樓神器——有“上?；垩邸敝Q的大型阻尼器。該阻尼器高度有7.7米，底座直徑有9.1米，采用的材質(zhì)是琉璃玉和鋼，是世界首個擺式電磁渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，由上海材料研究所自主研發(fā)而成。該阻尼器為世界最重，由12根吊索、質(zhì)量塊、阻尼系統(tǒng)和主體保護系統(tǒng)四部分組成。阻尼器的質(zhì)量塊和吊索構(gòu)成了一個巨大的復擺，通過與主體結(jié)構(gòu)的共振，有效抵御大樓的晃動。

上海每年夏秋季都會受臺風困擾，強臺風侵襲對于上海中心這樣的超高層建筑是個巨大的挑戰(zhàn)，而阻尼器對于抵抗臺風發(fā)揮著很大的作用。強風來臨時，它的最大擺幅可以達到1-1.2米，能通過自身感應實現(xiàn)與大樓搖擺的反方向運行，有效降低大樓擺動幅度和加速度，以提供良好的舒適度和安全性。

另外，上海中心的阻尼器除了具有穩(wěn)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“一只眼睛”，設計靈感源于《山海經(jīng)》的“燭龍之眼”，引發(fā)游客紛紛駐足。

技術(shù)創(chuàng)新讓“小蠻腰”不“扭腰”

除了常用的方式以外，一些建筑還有其獨特的減震方式。廣州塔設計的結(jié)構(gòu)安全問題是塔身的腰部太細。廣州是臺風頻發(fā)的區(qū)域，那么，大風到來，“小蠻腰”會“扭腰”嗎？答案是否定的。

廣州塔創(chuàng)新設計出世界領(lǐng)先的TDM兩級主被動復合調(diào)諧減震控制系統(tǒng)——在438-448米標高層利用核心筒兩邊各一個650噸容量的鐵制消防水箱作為TDM減震系統(tǒng)塊，在水箱下面安裝滑輪和軌道。兩個水箱上部各安裝了一臺重達50噸的直線電機主動控制裝置，根據(jù)塔身搖擺的精確數(shù)值，自動調(diào)整運動模式，進一步降低塔身的搖擺幅度。

當塔身晃動時，水箱通過傳感器向反方向滑動，以此來消減塔身的晃動幅度。加上這個系統(tǒng)，廣州塔減掉了40%的風振，同時保證了塔內(nèi)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筑物安全和人民的生命財產(chǎn)安全都有著重要意義。這次賽格大廈的晃動，無疑引起人們對建筑安全的更高需求。近幾年來，減震技術(shù)和消能技術(shù)逐步從基礎研究轉(zhuǎn)向了實際應用方面，建筑物的震動、減震和隔震控制，成為建筑業(yè)改革創(chuàng)新的難以回避的過程。而從疫情暴發(fā)對健康社區(qū)的關(guān)注，再到如今對建筑防震功能的訴求，也體現(xiàn)著人與城市、人與建筑關(guān)系的不斷重塑。