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烟花来袭,镇楼神器“上海慧眼”显威!

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摘要:

【导读】

 
7月26日上午9点50分左右,台风“烟花”终于在浙江平湖完成了二次登陆(第一次登陆是7月25日,在浙江舟山普陀沿海,之后就直接“滑”到杭州湾去了),并且台风的威力还是很强的,中心附近的最大风力达到了10级。
印象中上海几乎没有发生过台风正面登陆的记录,并且本次上海承接了台风烟花的最强风区。那么,狂风呼啸之下,上海的那些摩天大楼,如何安然度过13级大风的袭击呢?

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“上海智慧眼”
 
其实,大部分高度超过200米的建筑都会安装阻尼器来防风抗震。在当今世界所有安装阻尼器的高层建筑中,名为“上海慧眼”的上海中心阻尼器重达1000吨,无论大小、重量目前都是世界之最。这个重量远远超过了台北101那个出现在无数游记中的、重680吨的阻尼器。

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阻尼器减振的原理是质量块的惯性会产生一个反作用力,使得阻尼器在建筑受到风的作用力摇晃时,发生反向摆动。据悉,昨天“上海慧眼”已经开始摆动。无论是2019的台风利奇马,还是本次登陆的台风烟花,因为有了这样的镇楼神器摆动减振,上海中心这座中国第一高楼才能“稳如泰山”。

 

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镇楼神器是什么?

这台镇楼神器的学名叫做“电涡流摆式调谐质量阻尼器”

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这台神器的能力确实非常强悍,先来看看它的一些装置结构的介绍:整体由四大部分组成,分别是质量块、阻尼系统、吊索、主体结构保护系统,总质量达到了一千多吨。
下面的介绍将会分三步进行,首先是调谐质量阻尼器、其次是摆式、最后是电涡流。
 

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调谐质量阻尼器(简称“TMD”)

TMD系统的思想来源是Frahm在1909年研究的动力吸振器,当时主要用于控制机械的振动,如图1所示。在简谐荷载作用下,当所连接的吸振器的固有频率被确定为激励频率时,主质量M能保持完全静止。

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TMD系统是一个由刚度元件(弹簧)、阻尼元件(阻尼器)和惯性质量组成的单自由度子结构振动系统。

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TMD系统对结构进行振动控制的机理是:当结构在外激励作用下产生振动时,带动TMD系统一起振动,TMD系统产生的惯性力反作用到结构上,调谐这个惯性力,使其对主结构的振动产生调谐作用,从而达到减少结构振动反应的目的。为了说明TMD系统的减振原理,将其和主结构简化为两自由度的质量、弹簧、阻尼体系,如图2所示。

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当所在高楼在外力的作用下(比如风吹),首先大楼本身就会产生一个抖动,毕竟世界上不存在绝对刚体,因此常识中看上去坚固无比的钢筋混凝土大楼,实际上就是一个超大型的弹性体,虽说如此,但从大楼自身安全以及内部人员的体验感来讲,大楼不能有大幅度的晃动,由于TMD的自身振动频率与大楼的主体结构频率相近,因此在遇到外部大风的情况下,TMD的振动就会比较剧烈(相比于大楼振动而言),因为原本属于大楼振动的部分能量都被转移到TMD上面来了。

因此这时候TMD的振动行为就显得非常关键,在质量块以及弹性元件(如弹簧)的与作用下,会产生一个大厦主体反向的共振行为,说到这大部分朋友应该都明白了,既然都是反向振动了,那大厦本身的抖动自然也就被减弱了。

 

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摆式

看到这,也许部分朋友有疑问了,你刚才提到了这个TMD的三个组成部分,其中就有一个弹簧,但是我看台北101大楼的那个金属球以及上海中心大厦的镇楼神器,可都是那吊索吊着的啊,好像没有弹簧吧?

没错,能观察到这一点的朋友很细心。但实际上这并不是什么大疑问,因为所谓的弹簧,其实提供的是一个回复力,而这种回复力也可以通过摆动方式达到,毕竟重力会迫使金属球趋于最低点。

 

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电涡流

虽然大楼在TMD的帮助下,主体本身不会明显晃动,但是这个振动能量却是一直存在着的,只是转移到TMD身上了,因此这时候我们也要考虑如何消耗掉这些能量才行。那么如何才能使一颗摆动的大金属块静止下来呢?

 

靠空气阻力?没错,一般情况下,单摆在失去外部动力下,依靠空气阻力最终就能停下来,但你要知道如果让一颗上千吨重的物体吊在大楼里就那么晃着,显然不是办法,这时候阻尼器就派上用场了。

 

然后阻尼器也是分好多种类的,比如油阻尼、黏滞阻尼、电涡流阻尼等等,比如台北101大厦的阻尼器就是油压阻尼器,而上海中心大厦的就是电涡流阻尼,这是比较先进的一种阻尼方式,因为我们知道,所谓阻尼,其实就是阻止运动继续进行,因此最简单的方式就是利用直接接触,让摆动的质量块停下来。

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然而长时间的直接接触使用,就不得不面临机械摩擦、还需要定期润滑、维修等等。但是电涡流阻尼不存在这样突出的弊端,因为它依靠的电磁效应,所以不必直接接触。

 

 那么它的工作原理到底是啥呢?
 

其核心原理只需要中学物理水平就能理解。当一个金属导体在磁场中运动,或者处于变化的磁场中,那么金属导体内部就会产生感应电流,并且这种电流会在导体内部形成回路,也就是涡流状的电流。

 

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时由楞次定律,我们可以轻易知道,如果这个导体在磁场中运动时,会存在一股阻尼力,也就是阻碍运动进行(类似于阻尼摆)。

以“电涡流摆式调谐质量阻尼器”为例,其质量块会与一个永磁体固定在一起,之后通过上述过程,质量块的巨大动能转为了电阻热能,如此一来,也就很好的实现了耗能减振的目的。

 

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总结

除了拥有先进的电涡流摆式调谐质量阻尼器之外,上海中心大厦之所以的稳如泰山的原因还有一个,那就是它独特的外形,每升高一层,就会扭曲近1度,而这样的构形也能够对抵御台风影响起到一定帮助。

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实际上这次台风“烟花”只能算是一道小菜,因为之前2019年的超强台风“利奇马”侵袭时,上海中心大厦也安然无恙。

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