摩天大廈的專屬“定風(fēng)丹”

2024年9月，隨著臺風(fēng)“貝碧嘉”的猛烈襲擊，我國多地經(jīng)歷了前所未有的強(qiáng)風(fēng)驟雨。然而，在這樣的極端天氣條件下，上海中心大廈卻展現(xiàn)出了驚人的抗風(fēng)能力，成功“硬剛”了這次最大風(fēng)力達(dá)到14級的臺風(fēng)。

《西游記》中，孫悟空沒被鐵扇公主的芭蕉扇扇飛，是因?yàn)樗炖锖硕L(fēng)丹。而在現(xiàn)實(shí)中，上海中心大廈在臺風(fēng)的肆虐下依然穩(wěn)固如初，靠的也是人們?yōu)樗可矶ㄖ频摹岸L(fēng)丹”——安裝在大廈125層的千噸級“慧眼”阻尼器。

隨風(fēng)擺動的摩天大廈

在我們的印象中，“隨風(fēng)擺動”這個詞都是用來形容小草、小樹這些植物的，好像跟鋼筋混凝土建成的摩天大廈毫不相關(guān)。事實(shí)上，只要風(fēng)力足夠大，大廈也會被吹動。

數(shù)據(jù)顯示，在地面風(fēng)速為5米/秒時(shí)，90米高度的風(fēng)速能達(dá)到15米/秒；到了300～400米，風(fēng)速可能超過30米/秒，相當(dāng)于11級風(fēng)。在如此強(qiáng)勁的風(fēng)力下，摩天大廈也會動起來。比如高403米的上海金茂大廈，在11級風(fēng)中，頂部的最大位移可能達(dá)到0.8米。

“隨風(fēng)擺動”的摩天大廈，如果擺動幅度過大，可能造成墻體開裂甚至坍塌。為了讓摩天大廈“安定”下來，人們想了不少辦法，其一就是在大廈內(nèi)部安裝阻尼器。

大廈里的科技抗風(fēng)力量

阻尼是一種讓搖蕩系統(tǒng)或振動系統(tǒng)運(yùn)動受阻，進(jìn)而使能量隨時(shí)間耗散的物理現(xiàn)象，可分為空氣阻尼、油阻尼、黏滯阻尼、摩擦阻尼、渦流阻尼等多種形式。根據(jù)這種物理現(xiàn)象做成的阻尼器，在摩天大廈內(nèi)部就發(fā)揮著阻礙大廈振動的作用。

目前，安裝在摩天大廈內(nèi)部的阻尼器主要有3種：第一種是安裝在摩天大廈支撐柱之間的交叉斜撐，這種斜撐能夠通過阻礙支撐柱變形，減小大廈的振動幅度；第二種是在摩天大廈的墻體內(nèi)加入黏滯材料，利用這些材料吸收振動能量，也可以讓大廈的振動變?nèi)?；第三種是吊裝在大廈內(nèi)部的質(zhì)量塊，在摩天大廈發(fā)生振動時(shí)，質(zhì)量塊會朝著相反的方向擺動，從而消減振動。

提到阻尼器，就不得不說一下上海中心大廈內(nèi)部安裝的“慧眼”阻尼器。

“慧眼”阻尼器由 12 根長達(dá) 25 米的鋼索吊在大廈內(nèi)部，重達(dá)1 000噸，是目前世界上最重的阻尼器。當(dāng)臺風(fēng)來臨時(shí)，“慧眼”阻尼器可通過擺動龐大的身體減小大廈的晃動。需要說明的是，盡管“慧眼”阻尼器最終會在空氣阻力、重力等外力的作用下停止擺動，但是這個過程過于緩慢。為了讓“慧眼”阻尼器盡快“安靜”下來，人們采用了電渦流阻尼技術(shù)。這種技術(shù)可以讓“慧眼”阻尼器在運(yùn)動過程中產(chǎn)生阻礙其運(yùn)動的電渦流，從而盡快“安靜”下來。

2024年，臺風(fēng)“摩羯”“貝碧嘉”“普拉?！陛喎瑏硪u，高600多米的上海中心大廈能在狂風(fēng)暴雨中穩(wěn)固如初，“慧眼”阻尼器功不可沒。

除了上海中心大廈，我國還有一些摩天大廈內(nèi)部也安裝了阻尼器。上海另一座摩天大廈——上海環(huán)球金融中心內(nèi)部安裝了兩個阻尼器，這兩個阻尼器的質(zhì)量都是150噸，被安裝在距地面近400米的地方，為大廈的安全“保駕護(hù)航”。在深圳第一高樓——深圳平安金融中心內(nèi)部也安裝了兩個阻尼器，這兩個阻尼器分別重達(dá) 500 噸，被放置在大樓的 114 層，在“山竹”等臺風(fēng)來臨時(shí)也曾有過精彩表現(xiàn)。

改變“外貌”增加大廈穩(wěn)定性

除了安裝阻尼器，人們還想了一些其他辦法來減小摩天大廈的振動，讓其更平穩(wěn)地立于地面上，比如改變摩天大廈的“外貌”。

實(shí)驗(yàn)表明，矩形截面靠近邊緣處的風(fēng)力比中部風(fēng)力更大，采用更接近流線型的截面，有利于減小邊緣處的風(fēng)力。為此，有不少摩天大廈由傳統(tǒng)的矩形形狀換成了圓形、橢圓形、棱形等形狀。因?yàn)樵礁叩牡胤剑L(fēng)力越大。也有一些摩天大廈對大廈頂部做了針對性設(shè)計(jì)，比如將大廈頂部設(shè)計(jì)得又尖又細(xì)，或者像上海環(huán)球金融中心大廈那樣將頂部設(shè)計(jì)成鏤空的。除了改變受力情況，還有一些摩天大廈采用螺旋狀的外形，通過改變風(fēng)的方向來改善大廈的受力情況，比如位于美國芝加哥市中心的芝加哥螺旋塔。

摩天大廈是人類科技快速發(fā)展的代表性產(chǎn)物之一。相信隨著科技的進(jìn)步，未來的摩天大廈能夠變得更加穩(wěn)定，在臺風(fēng)、暴雨等災(zāi)害出現(xiàn)時(shí)，成為人們可以信賴的避風(fēng)港。

（責(zé)任編輯：白玉磊）