世界上所有的高楼都在大风中摇曳,为啥能够安然屹立百世无恙呢
现在世界上的高楼越来越多,一幢幢拔地而起并向新的高度冲击。目前已建成排名前10名的世界高楼包括迪拜的哈利法塔,高828米;中国上海中心大厦,高632米;麦加皇家钟塔酒店,高601米;中国天津高银金融117大厦,高596.6米;韩国乐天世界大厦,高555米;美国纽约世贸中心一号楼,高541.3米;中国广州东塔(周大福金融中心),高530米;中国天津周大福金融中心,高530米;中国北京中信大厦,高528米;中国台北101大楼,高508米。从这些排名中,可以看出中国这些年飞速的发展和进步,10大顶尖高楼中有6幢位于中国。"周大福"占有两幢,这里不进行讨论。当然,这仅仅是目前已建成的高楼排行,在不久的将来,许多新的高楼将会拔地而起,重新排定座次。根据掌握的一些信息,未来的世界第一高楼依然位于迪拜,正在建造的万国大厦将达到1600米,届时哈利法塔只能屈尊第二了;而我国苏州的中南中心,将以729米的身高位列第三;中国武汉绿地中心以636米的高度位列第四,上海中心只能屈居第五了;天津高银117大厦会以621米的高度位列第六。在前六名中,中国就占了四个。中国在不久的将来会建造世界最高楼吗?有可能,但尚无准确消息,暂不讨论。其实有一幢高楼虽然现在没有排上号,但不得不提,这就是美国纽约的帝国大厦。这幢大楼建成于1931年,已有88岁高龄,曾占据世界第一高楼的位置数十年,现在依然是纽约的地标建筑之一。到过高楼的朋友都知道,这些看似巍然屹立的大楼,并非一动不动,而是在大风中摇曳生姿,它们随风摆柳,时刻都在摇曳着美妙的舞姿。那么这些高楼为何能在风中安然无恙呢?其实这是人们有意为之,只有这样,才更安全。因为正是这些美妙的舞姿,才能缓解高层强劲风力给高层的压力。就像我们打太极,四两拨千斤,摇摇晃晃中化解了风险。如果真的做一幢宁折不弯的高楼,反而会被吹倒。高楼可不能宁为玉碎,不为瓦全。因为在高空中,风力是很强劲的,高楼在风阻中受到的力很大,就会倾斜,而刚性太强,宁折不弯,只会承受越来越大的压力,最终只能以“折”来化解压力。随风摆柳,摇摇曳曳,反而释放缓解了压力,从而“不折”。这个道理也告诉我们,人生旅途,在遇到一些过不去的坎时,也可以迂回一下,退一步海阔天空,与高楼在风中摇曳一样的道理。所以在设计超高层建筑时,必须考虑高楼的摇摆系数。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》3.7.3条规定,高度不大于150米的建筑,根据结构不同,顶部位移限制在1/550~1000,高度不小于250米的建筑,位移应限制在1/500以内。高楼在这个范围内的摇摆,称为安全摇摆。为了确保高楼的安全,超出国家规范限制300米以上高度的大楼,需要特殊设计和专业审查,论证审批程序十分严格。一般超高楼每栋都有独特的设计,所允许的晃动幅度也不同。为了解决高楼摇摆的安全问题,在材料和设计上需要作出非常专业的选择,比如选用延展性较好的优质钢材、幕墙结构保留适当缝隙等。优质的材料和设计,能够保证超高楼在风中摇曳而结构稳定,不会出现断裂和破碎的现象,而且设计上还要保留相应的系数。如《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068-2001中规定,一般建筑结构的安全系数为1.5,对于超高层建筑要求有更大的系数保障。简单的说就是本来只需要承受100的压力,设计就要达到可以承受150的压力或更高。如果设计可以抵御12级台风,实际上就能够承受18级超级台风。当然,大楼摇曳是必然的,但是幅度还是要控制的。如果不加控制任其在风中自由摇摆,幅度过大,或引起共振,大楼就会毁于一旦。现在世界各地控制大楼摇摆幅度最常见采用的是阻尼器。这个阻尼器就是超高层大楼的“定风丹”。看过西游记的都知道,唐僧师徒西天取经途经火焰山,必须用芭蕉扇才能扇灭火焰山之火才能过去,而芭蕉扇在牛魔王的老婆铁扇公主手中,孙悟空软硬兼施的想借芭蕉扇一用,却被铁扇公主用芭蕉扇一扇就扇飞了十万八千里。孙悟空到了须弥山,菩萨给了他一粒“定风丹”,他回去,铁扇公主就再也扇他不动了。现在高楼的这个应对风压的阻尼器就是高楼的“定风丹”。这个“定风丹”,说穿了就是一个很重很重的“秤砣”,规范的叫法是“质量块”,它被用复杂的技术吊在楼的高层中间,下部与一套复杂的阻尼系统相连。当大楼遭到风的袭击产生晃动时,这个“秤砣”就像一个钟摆,随着大楼晃动也晃动,但晃动幅度比大楼幅度要小,而且会产生延迟效应,这样就会产生一种反向摆动。在“定风丹”的拉扯作用下,大楼的摆动幅度就大大减小了。科学的解释就是大风作用在高楼上的机械能,通过阻尼系统,转化为热能消散了。我们上海中心大厦的“定风丹”叫“电涡流摆设式调谐质量阻尼器”,重达1000吨,是目前世界上最重的一个阻尼器,也是一项创新技术成果。根据上海中心大厦施工方提供的数据,这种阻尼器可以降低风致峰值加速度,降幅可达43%以上,能够令大厦内90%的空间保持较大的舒适度。还有一个阻尼器也是比较著名的,就是台北的101大厦,这幢大楼的阻尼器曾经为世界最重,现在已经被上海中心大厦打破了。101大厦的调谐质块阻尼器重达680吨,外观为金色球体,吊在这幢111层大楼的第92层,是全球唯一一个外露式大楼阻尼器,供各地游客参观。其实,高楼的稳定阻尼器系统,根据楼体形状功能的不同,以及着落地方不同,可以采用因地制宜不同的设计。如在10大高楼排行榜中名不见经传的广州塔,这座俗称“小蛮腰”的建筑实际高度达到了600米,本来应该位列第四,但这个建筑更多的是塔式结构,因此一般没有把它列入高楼排名。这幢高楼坐落台风频繁的广州,如果采用上海中心或台北101大厦的质量块方案,就不适用。由此在设计时加入了中国首创的主被动复合调谐减震控制系统,用顶楼的两个可移动巨型水箱来稳定楼体,这两个水箱装水20万升,遇到台风时反方向移动,既能起到稳定楼体作用,还能充当高楼灭火水箱功能。但世界第一高楼,迪拜的“哈利法塔”(原名迪拜塔)却没有设立阻尼器。这座高楼高828米,楼层总数162层,在风中最大摆动幅度为3米多。“哈利法塔”之所以没有采用阻尼器,是因为这座楼的形状和设计有极好的抗风性能。首先这座称之为“塔”的超高楼采用了三角形设计,在遭受强风袭击时,三角造型会分散开风力;从地面到塔顶面积的递减,底部宽大增强了基础抗力,而越到顶部受风面越小,高层压力是渐渐减轻状态。这座塔的地基也做得十分坚固,钢筋混凝土浇筑了30米深,桩深70米,达到二十多层楼深。即便如此,在大楼上还是做了很多重要的防风防震措施,如在大楼中心有一个六边形的核心筒,可以抗剪抗弯抗扭;外形三瓣花形状,又叫剪刀墙,风吹过在后面会形成涡流,减弱风的影响。其实上海中心大厦即便做了阻尼器系统,在设计上还是采取了很多措施,才能够减轻大楼的摇摆,增强抵御风能的能力。如在外形设计上,采用了扭曲的“DNA”形象,这种“风环绕建筑”在遇到大风时,会形成旋涡陀螺效应,从而导致大楼摇晃,缓解风力能量,将大风侧力减少24%;为了保证低级的稳定,在打地基前,先打了深达86米的基桩980个,浇筑了6万立方米混凝土,形成6米厚的基础底板,是这幢大楼虽然选址在冲积层,但却是全上海最安全的建筑。现代大楼为了安全,在设计结构和材料选用上也是非常重要的,比如幕墙就是一个很重要的选择。我国《高层建筑混凝土结构技术规程》指出,150米以上的高层建筑宜采用各类建筑幕墙。这就说明在
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