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摩天大楼如何在狂风中屹立不倒?

发布时间:2019-11-16    作者:超级管理员    点击:688


    随着经济社会的飞速发展,一座座摩天大楼在城市中心拔地而起。那么,当狂风来袭,它们能否经受住风力的袭击,安全平稳渡过难关?其实,摩天大楼有自己独特的设计,用来保证在狂风中屹立不倒。下面就让我们来一同了解一下。


    也许在很多人心目中,钢筋混凝土都是毫无弹性或伸缩性可言的,其实不然。任何刚硬的物体,其实都是有一定弹性的,包括建造摩天大楼的混凝土。而且在大风来临时,如果大楼的顶部不能晃动,各种结构性部件可能会因为巨大风力而受损,所以建筑工程师会有意使大楼能够摆动,这样大楼才不会像绝对稳定时受到那么大的压力。大多数摩天大楼可以轻易地在任何方向晃动数十厘米,就像风中摇摆的大树一样,而不会破坏其结构完整性。

“筒体”结构示意图(作者供图)


    摩天大楼的防风措施十分必要,可以采用“筒体”结构,也就是贯穿大厦中心建造特别坚固的混凝土核心轴。筒体就像放大的烟囱,有着很优越的抗风能力。摩天大楼中有许多电梯井,在中央电梯井周围采用坚固的钢架进行加固,并用对角横梁撑牢,就成了很好的抗风筒体。超过50层的摩天大楼,一般就要采用筒体结构;当建筑高达70~80层甚至100层时,一个筒体就不够了,要做两个筒,一个在中间的“核心筒”,一个套在外面,这种方式称为“筒中筒”结构。如果不用筒套筒的办法,也可以把许多筒联合起来,就像一捆竹竿,称为“成束筒”,著名的西尔斯大厦就采用了这种结构,具有极好的抗风能力。

“筒中筒”“成束筒”结构示意图(作者供图)


    虽然“筒体”有助于保护摩天大楼的结构,但是这样的晃动对居住者来说仍然十分明显,所以一些摩天大楼会在楼顶安装巨型的调谐质量阻尼器,用来抵消水平运动,减弱震动力量。一种是油液压系统通过来回推动在某个顶层放置的400吨混凝土构件,不停地移动整座大厦的重心。先进的计算机系统会仔细监视风力使大厦产生的晃动,并相应移动大厦的重心,纽约花旗中心大厦就采用了这种方法;另外一些类似系统则依靠巨大摆锤的运动来改变大厦的重心,就像“不倒翁”一样。这种调谐质量阻尼器同样由钢铁或混凝土制成,重量大约在300吨到800吨之间,一般会占据约92.9平方米的空间,要用钢索吊住。它像一个巨型的吸能装置,使遭到狂风的大楼复位。

 

调谐质量阻尼器示意图(作者供图)


“不倒翁”调谐质量阻尼器示意图(作者供图)


    本文由北京联合大学艺术学院建筑系教授张路光进行科学性把关。


来源:科普中国       作者:陈阳



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