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宋伟宁:“镇楼神器”守护中国第一高楼

2021年08月10日 12:05:38 来源: 新华网

  进入立秋节气,台风依然是重点防范的灾害性天气之一。面对阴云变幻、狂风暴雨的强对流天气,中国第一高楼上海中心大厦却可以强风侵袭下“高枕无忧”,稳如泰山。这归功于大厦的“镇楼神器”——电涡流阻尼器,它有效削减了强风下高层的晃动。近日,新华网专访上海中心大厦建设发展有限公司工程管理总部结构技术总监宋伟宁,深入探讨了这一“神器”的奥秘。

  新华网:“上海中心大厦阻尼器的工作原理是什么?”

  宋伟宁:“它属于电涡流调谐质量被动式阻尼器,设定的极限摆动值是单边两米。”

  当大楼在强风作用下产生摆动时,千吨重的阻尼器以产生反向运动的方式来抵消大楼的摆动,利用自身的庞大重量来对抗风力对建筑物带来的影响,从而起到减缓大楼晃动的作用,但阻尼器自身运动的能量也需要被尽快释放。上海中心大厦阻尼器采用了电涡流阻尼技术,利用导体在磁场环境中做相对运动时产生电涡流阻碍导体运动的原理来消减阻尼器的摆动,从而释放能量。

  传统被动式阻尼器一般是黏滞型调谐质量阻尼器,例如台北101大厦采用的就是这种。从大的分类而言,上海中心大厦的阻尼器也属于被动式,但在技术上有创新突破。通过永磁体形成的磁场与质量块一起摆动时,就与下方固定的导体产生相对运动,从而在导体中产生电涡流。电涡流切割磁力线时会产生与导体或磁场运动方向相反的阻力,从而实现减振耗能的作用。电涡流阻尼器相较于传统的黏滞型阻尼器,具有响应灵敏度高、耐久性强、可实现变阻尼和维护成本低的优点。上海中心大厦使用的电磁涡流阻尼器是由我国自主研发的。

  阻尼器摆动的极限是有专门设定的,上海中心大厦阻尼器设定的极限值是单边摆动两米(以阻尼器中心点到摆动最远点的距离来计算),这是从安全的角度按照抵御强台风、强地震的标准来设防的。当阻尼器的摆动超过一定幅值时,限位保护装置就会发挥功能。限位保护装置相当于汽车刹车,当阻尼器摆动达到两米的时候,它就会将其锁定,从而保护大楼的建筑结构以及周边的装饰部件不会受到撞击。

  新华网:“阻尼器出现摆动时,大楼里的人会有怎样的感觉?”

  宋伟宁:“这款阻尼器是按照目前国际上最高的舒适度标准即H-10标准来设计的。其要求是:在一年一遇的大风情况下,大楼里最多只有10%的人能够感受到大楼在轻微晃动。”

  阻尼器在设计时会考虑到两种标准。阻尼器限位设定是一种安全标准,还有一种叫做舒适度标准。就舒适度标准而言,我们的阻尼器是按照目前国际上最高的舒适度标准,也就是按H-10标准来设计的,它能显著提高建筑的品质。举例来说,当在一年一遇的大风情况下,大楼中最多只有10%的人能够感受到大楼在轻微晃动,其他90%人是感受不到楼晃动的。但在技术设计时,两种标准都需要达到。

  面对大地震、超强台风时,舒适度不会作为评价指标,安全性是唯一考量的因素。另外,从长远而言,阻尼器对提高建筑结构的耐久性是十分有帮助的。

  新华网:“2019年,超强台风‘利奇马’在浙江省温岭市沿海登陆,登陆时中心附近最大风力16级(52米/秒),台风到达上海的时候阻尼器也出现了单边70厘米的最大摆动幅度,面对今年的‘烟花’情况如何?”

  宋伟宁:“‘利奇马’台风使上海中心大厦阻尼器的单边摆幅达到了70公分左右,今年的‘烟花’台风,就直接观测来看,阻尼器摆幅的数据相差不多,目前数据还在汇总分析当中。”

  2019年的“利奇马”台风是上海中心大厦阻尼器全部安装测试完毕以后所遇到的最强台风,当时阻尼器的单边摆幅瞬间峰值达到了70公分左右,如果两边加起来,大概是1.3米到1.4米左右的摆幅。今年的“烟花”台风,全部的监测数据还在收集整理当中,但据我们现场目测来看,它跟“利奇马”也比较接近,可见今年的“烟花”对上海影响也是比较大的。

  新华网:“除了阻尼器以外,上海中心大厦外观在设计上有哪些对抗风力的考量?”

  宋伟宁:“外观设计实现了风工程削减风荷载与建筑外观美学的综合要求。”

  除了阻尼器之外,大厦的外观设计也能够极大程度减轻受到的风力影响。上海中心大厦从外观上看起来是旋转上升的建筑造型,外幕墙收分向上整体旋转120度,这个建筑造型其实是结合了建筑美观与风工程技术两方面的综合考量。

  从风工程角度来讲,建筑外表面扭转的形态对削减风荷载是非常有帮助的。一般而言,顶部区域建筑形态扭转角度越大,对风所引起建筑物振动的削减程度越有利,而对于建筑设计,建筑也有外观形态的要求,所以必须把这两方面的因素结合在一起进行综合评估,从而达到一个最佳的结果。上海中心大厦外形既实现了风工程削减风荷载的要求,又能满足建筑外观的美学要求,两者的结合达到了最理想的状态。

  (策划:周琳、林艳兴;文字:许超、佘灵;视频:虞礼、实习生张艺严)

【纠错】 [责任编辑: 罗沛鹏 ]

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