上海中心大厦(632米第一高楼上海中心大厦)

9月16日7时30分左右,台风贝碧嘉在上海浦东临港新城登陆,中心最大风力高达14级(时速将近150公里/小时),这也是上海自1949年,这75年来登陆的最强台风!

文章发布时的台风路径

社交平台上,不少周边的网友评论称, “台风大到要把人吹走了”

央视新闻记者在滴水湖附近直播时,现场雨势非常猛烈,根本睁不开眼

但就在这75年最强的情况下,中国第一高楼,632米高度的上海中心大厦却是稳如泰山(住高层的朋友,估计不少都有过大风天气感觉房屋在晃动的经历吧,高度越高越明显)

六百多米高的上海中心大厦却是因为其顶部有一块重达千吨的“镇楼神器”——“慧眼”在有条不紊的发挥稳楼作用!

上海中心大厦

慧眼

这是两倍速的情况,实际上晃动没这么快

镇楼神器“慧眼”到底是什么?

首先这台镇楼神器的学名叫做“电涡流摆式调谐质量阻尼器”,是不是感觉听上去就非常厉害的样子?

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,总质量重达一千吨!!

注意,咱们看到图片上的那个好看的雕塑,实际上它就只是一个雕塑!一千吨的质量主要来自这个雕塑下方的质量块

这个庞然大物被安装在了大厦倒数第三和第四层,距离地面583米!

为什么要放这么高呢?

实际上这正是涉及了阻尼器的核心原理,也就是为什么阻尼器能让大楼在台风天气下成为“定海神针”的关键!

下面我们将会对“慧眼”,也就是电涡流摆式调谐质量阻尼器,进行具体科普

将其分为三个部分,首先是调谐质量阻尼器,其次讲摆式,最后讲电涡流!

调谐质量阻尼器(简称“TMD”)是啥?

调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper),因此其简称为“TMD”

其实这个东西,大白话来讲,你看着就是一个单纯大质量块

但考虑到建筑物的内部空间,因此这种大质量块,基本都是由高密度金属制作,比如我国台湾省台北101大厦安装的调谐质量阻尼器

如下图,核心就是一块660吨的大金属球体

有人说,听上去这么高科技的东西怎么到你嘴里就成了一颗大金属块了?

还别激动,你来看一下这颗金属球是如何起作用的就明白了。

一般来讲,TMD主要由三个部分构成,分别是:质量块、调谐频率弹性元件(比如弹簧)、阻尼元件

而TMD的作用原理就是(下面几段较枯燥,不感兴趣可直接跳过,看后面的动图):

当所在高层建筑物在外力的作用下(比如风吹),首先大楼本身会产生一个抖动,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

即便如此,钢筋混泥土构成的建筑物肯定有个摆动极限,再考虑到内部人员的舒适度,建筑物必定不能长期晃动,因此我们必须想办法将外部对大楼的摆动能量转移到其它地方,而这个转移过程就是TMD的起效过程

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

在质量块以及弹性元件(如弹簧)的作用下,TMD会产生一个与大厦主体反向的共振行为,综合来看,结果就是大楼的晃动减弱

如果上述讲解看不大懂,那么可以看下面这幅动图

这位小朋友同时在晃动两栋“大楼”,这两栋楼唯一的区别在于顶部有没有吊配重块,实验很明显的告诉我们,顶部吊有配重块的大楼更加稳定。

什么是摆式?

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。

而且摆式的好处能更加发挥阻尼器的属性,看完最后一点就会发现

什么是电涡流?

通过上面两节,我们已经了解到TMD到底是如何给大楼稳定的,但这里还存在一个问题:能量虽然转移了,但不会消失,那么一直振动的TMD,该如何停下来呢?

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,这时候各种类型的阻尼器就派上用场了

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

比如台北101大厦的阻尼器就是油压阻尼器

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

所以阻尼的方式也不只有油压一种,比如黏滞阻尼、电涡流阻尼等等

我们的上海中心大厦用的就是电涡流阻尼,这是目前阻尼方式中最先进的一种

那么它的工作原理到底是啥呢?

说来也简单,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。

此时由楞次定律,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。

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。