近日,深圳市福田區(qū)高層建筑賽格大廈出現(xiàn)晃動(dòng)情況備受關(guān)注。隨著我國(guó)各地的高層、超高層建筑越來(lái)越多,建筑物安全一直是廣受熱議的話(huà)題。我國(guó)對(duì)高層、超高層建筑物,從選址、設(shè)計(jì)、審批到施工、監(jiān)理、驗(yàn)收等,都有很?chē)?yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。為防止擺動(dòng)、抗風(fēng)減震,高層建筑在設(shè)計(jì)時(shí)也是各出奇招。
高層建筑出現(xiàn)晃動(dòng)正常嗎?
建筑晃動(dòng)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(dòng),多為共振導(dǎo)致。共振,是指一個(gè)物體的振動(dòng),會(huì)帶動(dòng)另一個(gè)物體的振動(dòng)。二者的振動(dòng)頻率越接近,共振產(chǎn)生的振動(dòng)幅度會(huì)越大。當(dāng)一幢建筑超過(guò)一定高度時(shí),風(fēng)荷載作用下引起的建筑響應(yīng),可能比地震作用下引起的響應(yīng)更大。建筑在風(fēng)的作用下會(huì)產(chǎn)生順風(fēng)向振動(dòng)和橫風(fēng)向振動(dòng)。順風(fēng)向振動(dòng)就是建筑物順著風(fēng)的方向產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng),是由風(fēng)荷載的脈動(dòng)作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的受迫振動(dòng)。而橫風(fēng)向振動(dòng)則是由于在風(fēng)的作用下,在建筑的后部形成漩渦,而這種建筑后部?jī)蓚?cè)漩渦會(huì)以一定的頻率交替脫落,形成橫風(fēng)向的振動(dòng)。當(dāng)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(shí),就會(huì)形成共振現(xiàn)象,就是所謂的“渦激共振”。共振作用的來(lái)源,一般是風(fēng)力或地基作用力,其中,地基作用力的來(lái)源包括地震、地基變形、周?chē)┕ぷ鳂I(yè)等多種因素,所以建筑在設(shè)計(jì)時(shí),會(huì)充分考慮外力因素導(dǎo)致的晃動(dòng)問(wèn)題。
建筑雖看起來(lái)是剛性結(jié)構(gòu),但實(shí)際蘊(yùn)含著很多柔性設(shè)計(jì),本身遇到大風(fēng)就會(huì)晃動(dòng),所以為了防風(fēng)減震,需要講究“剛?cè)岵?jì)”,通過(guò)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(shè)計(jì)階段會(huì)根據(jù)地區(qū)的風(fēng)壓、建筑物形狀等各種數(shù)據(jù)做模擬測(cè)試。超高層建筑一般還會(huì)做風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),把建筑物模型放在風(fēng)洞里,模擬各種風(fēng)下建筑物的擺動(dòng)和變形,以便保障外力引發(fā)的晃動(dòng)在高層建筑安全范圍內(nèi)。
對(duì)抗高樓晃動(dòng)靠什么?
為有效防止建筑物“隨風(fēng)起舞”,超高層建筑都是如何實(shí)現(xiàn)防風(fēng)減振的呢?
從建筑設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō),合理的選型有利于抵抗風(fēng)荷載和地震作用。建筑的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,有利于減小邊緣處風(fēng)荷載,進(jìn)而減小建筑物受到的總風(fēng)力。
從建筑結(jié)構(gòu)方面來(lái)講,要想建造穩(wěn)固的建筑,離不開(kāi)合理的結(jié)構(gòu)。摩天大樓的建筑結(jié)構(gòu),多為下粗上細(xì)的錐形結(jié)構(gòu)體型。杭州世紀(jì)中心就以結(jié)構(gòu)取勝,以流線型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力的自然導(dǎo)流。從遠(yuǎn)處看,杭州世紀(jì)中心的雙塔建筑形成了一個(gè)大大的字母“H”,這是以杭州拼音首字母為藍(lán)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(jì)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(dòng)態(tài)風(fēng)力和消散地震能量。如果從上空俯瞰,會(huì)發(fā)現(xiàn)杭州世紀(jì)中心雙塔建筑的平面是兩個(gè)橄欖球狀。正是利用這種流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),當(dāng)風(fēng)吹過(guò)建筑時(shí),會(huì)實(shí)現(xiàn)自然導(dǎo)流,建筑面受到的直接作用力很小。杭州世紀(jì)中心的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在前期對(duì)其進(jìn)行過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠。
從建筑裝置方面來(lái)講,安裝阻尼器是高層建筑常見(jiàn)的防抖方式。當(dāng)建筑達(dá)到一定高度時(shí),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(huì)在樓內(nèi)添加阻尼器來(lái)減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。阻尼器是以提供運(yùn)動(dòng)的阻力來(lái)耗減運(yùn)動(dòng)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(gè)交叉斜撐,用來(lái)減小支撐桿柱的變形,進(jìn)而減小振動(dòng)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(dòng)能量,從而讓振動(dòng)變?nèi)?;第三種是在建筑物的頂端吊一個(gè)質(zhì)量塊,質(zhì)量塊的擺動(dòng)方向與建筑物的振動(dòng)方向相反,從而消減振動(dòng)。
近年來(lái),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(dòng)對(duì)大樓內(nèi)人員的影響,不少高樓都會(huì)選擇安裝阻尼器,例如平安金融中心設(shè)置了兩臺(tái)分別重達(dá)500噸的混合式阻尼器。在地震、強(qiáng)風(fēng)時(shí),阻尼器能夠在電腦和電機(jī)的控制下朝反方向運(yùn)行,吸收風(fēng)力和地基作用力產(chǎn)生的能量,避免共振導(dǎo)致建筑振幅不斷擴(kuò)大,減輕建筑受到的損傷,發(fā)揮相當(dāng)于天平砝碼的作用。
上海中心大廈也做了一個(gè)1000噸的阻尼器放在頂層。該大廈是中國(guó)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(gè)鎮(zhèn)樓神器——有“上海慧眼”之稱(chēng)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(gè)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(hù)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(gè)巨大的復(fù)擺,通過(guò)與主體結(jié)構(gòu)的共振,有效抵御大樓的晃動(dòng)。
上海每年夏秋季都會(huì)受臺(tái)風(fēng)困擾,強(qiáng)臺(tái)風(fēng)侵襲對(duì)于上海中心這樣的超高層建筑是個(gè)巨大的挑戰(zhàn),而阻尼器對(duì)于抵抗臺(tái)風(fēng)發(fā)揮著很大的作用。強(qiáng)風(fēng)來(lái)臨時(shí),它的最大擺幅可以達(dá)到1~1.2米,能通過(guò)自身感應(yīng)實(shí)現(xiàn)與大樓搖擺的反方向運(yùn)行,有效降低大樓擺動(dòng)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(gè)具有參觀價(jià)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(shè)計(jì)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(dú)特的減震方式。廣州塔設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題是塔身的腰部太細(xì)。廣州是臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的區(qū)域,那么,大風(fēng)到來(lái),“小蠻腰”會(huì)“扭腰”嗎?答案是否定的。
廣州塔創(chuàng)新設(shè)計(jì)出世界領(lǐng)先的TDM兩級(jí)主被動(dòng)復(fù)合調(diào)諧減震控制系統(tǒng)——在438~448米標(biāo)高層利用核心筒兩邊各一個(gè)650噸容量的鐵制消防水箱作為T(mén)DM減震系統(tǒng)塊,在水箱下面安裝滑輪和軌道。兩個(gè)水箱上部各安裝了一臺(tái)重達(dá)50噸的直線電機(jī)主動(dòng)控制裝置,根據(jù)塔身?yè)u擺的精確數(shù)值,自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式,進(jìn)一步降低塔身的搖擺幅度。
當(dāng)塔身晃動(dòng)時(shí),水箱通過(guò)傳感器向反方向滑動(dòng),以此來(lái)消減塔身的晃動(dòng)幅度。加上這個(gè)系統(tǒng),廣州塔減掉了40%的風(fēng)振,同時(shí)保證了塔內(nèi)通信設(shè)施、娛樂(lè)設(shè)施的正常使用。
減震技術(shù)的應(yīng)用和推廣對(duì)于建筑物安全和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全都有著重要意義。這次賽格大廈的晃動(dòng),無(wú)疑引起人們對(duì)建筑安全的更高需求。近幾年來(lái),減震技術(shù)和消能技術(shù)逐步從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向了實(shí)際應(yīng)用方面,建筑物的震動(dòng)、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(guò)程。而從疫情暴發(fā)對(duì)健康社區(qū)的關(guān)注,再到如今對(duì)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。