高楼大厦左右摇晃,为何能屹立不倒?因为它有1000吨的镇楼神器

在我国,楼层似乎越建越高,只要来到城市里,几乎是随处可见直冲云霄的摩天大楼。不仅仅是商业区的办公楼,许多小区也逐渐往高处修建,成为了“摘星楼”,或许商纣王都会可惜没有生在现代,不然何必折腾穷苦百姓,直接带着妲己住在高层居民楼。这其…

在我国,楼层似乎越建越高,只要来到城市里,几乎是随处可见直冲云霄的摩天大楼

不仅仅是商业区的办公楼,许多小区也逐渐往高处修建,成为了“摘星楼”,或许商纣王都会可惜没有生在现代,不然何必折腾穷苦百姓,直接带着妲己住在高层居民楼。

高楼大厦左右摇晃,为何能屹立不倒?因为它有1000吨的镇楼神器

这其实也是因为我国人口实在太多了,全国第7次普查的总人口达到了141178万人,排名世界第一,印度加班加点都还没赶上,土地面积却只有大概960万平方千米,在世界上排在第三名。

也因此,从上面这些数据我们可以明显得知,我国的人均土地面积是非常少的,又因为许多人想要获得更多的机会和更好的发展,所以会不断涌向较发达的城市,导致城市人口太多,居住面积完全不够。

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此外,楼层越修越高,还有一些原因是开发商为了能卖出更多的房屋,获得更大的利益。最重要的当然是我国现代技术的支持,否则就算是土地再怎么紧缺,无法保障高楼的安全,这高层也无法建起来的。

大风天的摩天大楼

我们都知道,越高的物体也就越容易倒,在物理概念里,重心是一个均质物体的几何中心,如果该物体并非是均质的,则重心的位置与其形状、质量分布有着很大的关系。

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假设宽度不变的情况下,通常来说物体越高,重心也会越高,相应的稳度也就越小。按照这样的说法,那么我们日常生活中那些动辄几十上百层高的摩天大楼看似并不稳定,但是事实真的是这样的吗?

沿海地区常年遭受台风的侵袭,尤其是我国东南沿海地区,几乎每年都会启动台风应急响应,忧心台风这只巨大“风兽”的来临。

根据1949年1月1日到2017年8月31日的数据统计,我国遭遇台风的省份最多的是广东,其次就是台湾。

然而频频的台风捣乱,高达600米的广东 “小蛮腰”——广州塔自2009年9月竣工以来,一直安稳地伫立在广州,成为了该城市的地标性建筑物,受到了广大人民的欢迎。

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无独有偶,我国台湾的台北101大楼有着101层地上楼层,高度低于广州塔,但也有508米的高度,同样抗住了台风的威胁,还曾经蝉联了6年“世界第一高楼”的美名。

再提一个2021年发生的事情,大家应该都知道今年夏天的第6号台风“烟花”,它从我国浙江及上海交界处登陆北上,朝着东北方向移动,一直到十几天后来到渤海湾才慢慢停歇。

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在“烟花”登陆时,中心最大风力还达到了13级,也就是每秒38米,而上海受到的台风风力也不断增大,达到了10级以上,上海市沿海海面和属于上海市国际航运核心的洋山港区的风力甚至高达13~15级。

在这样的狂风暴雨下,上海中心大厦却屹立不倒,似乎完全不受影响,要知道它远比广州塔和台北101大楼还要高,地下建筑共有127层,建筑高度达到了632米。

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为什么这些高楼与物理概念不一样呢,不是说在宽度不变的情况下,越高的物体稳定性也就越差吗?这其实是因为摩天大楼都有着一个“震楼器”——阻尼器。

摩天大楼的“震楼器”

阻尼器也被叫做是阻尼装置,其中的“阻尼”指的也就是一种作用于处在振动或摇荡运动物体的各种阻力影响,从而使得该物体运动幅度随着时间下降,能量不断耗散的物理现象。

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通过阻尼器,机械结构的共振振幅也就会因阻力而减小,防止其结构的零件在工作中会因为外力影响产生的变化的应力到达极限,从而遭到破坏。

阻尼器还能帮助机械系统在一瞬间遭遇冲击以后,可以快速稳定下来,不会因此而遭到毁坏。

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摩天大楼所使用的则是风阻尼器,也被叫做是调谐质量阻尼器,它由弹簧、质量块、钢索以及阻尼装置组成,如同一个偌大的钟摆。

我们都知道距离地面越远,风速也就越大,通常情况下在风速在每秒30米的时候,高楼就会发生晃动。

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强风来袭,摩天大楼也必不可免会产生摇晃,此时被装在摩天大楼的风阻尼器就能通过传感器察觉到其晃动的程度,从而利用计算机来控制阻尼器下用钢索悬挂着的重物的摆动速度,给晃动的建筑物施加阻力,以此来耗散建筑物的能量,将摩天大楼稳定下来。

通过这种风阻尼器的方式,摩天大楼受到强风影响所产生的加速度将降低40%左右。

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并且风阻尼器不仅仅能够抵御强风,还能在地震发生的时候,吸收震波,从而降低地震对摩天大楼顶部的冲击,是非常好用的工具。

例如上面所提到的上海中心大厦,因为它的建筑高度高达632米,当强风来袭,上海中心大厦的摆动幅度甚至可以达到1米,如果顶部有人在,那么他就会感受到犹如身处波涛大海般的晃动。

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为了避免上海中心大厦摆动幅度过大使得人员不适,也为了防止其毁坏,这栋大厦的风阻尼器甚至达到了1000吨重量,也是迄今为止全球最重的风阻尼器质量块,一旦遭遇强风,这个巨大的质量块球就会向强风的反方向摆动起来。

1000吨重意味着什么呢,我们所了解的最大的陆地动物是大象,最大的海洋动物自然也就是鲸鱼,一头非洲象的重量大概是8吨,一头鲸鱼则是40吨左右,也就是说,一个风阻尼器的质量块相当于是125头非洲象,也是25头鲸鱼的重量。

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如果这样重的质量块坠落,那么它将会直接砸穿百层楼,一直砸下地下室,但这种事情必然不会发生,因为风阻尼器通常来说是用好几根钢索牢牢拉住质量块,还有工作人员定期检查,不需要太过担心。

除了上海中心大厦,台北101大厦的风阻尼器重达660吨,是一颗巨大的黄色钢球。

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台北101大厦属于是世界上较早一批使用阻尼器的高层建筑物了,在设计初期的时候就考虑到了楼层晃动的问题,因为我国台湾常年发生台风,强风的影响下高层建筑必然会受到摇晃,且不说它是否会被吹倒,就说如果上面有人,顶部振动也会使得这些人感到不适。

因此,风阻尼器被放在了台北101大厦第92层左右的位置,并且在风阻尼器下放了一个能够限制其质量块摆动幅度的缓冲钢环。

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“小蛮腰”广州塔也是用上了风阻尼器,而且与其他摩天大楼的阻尼器不一样的是,设计人员结合了实际情况,专门为广州塔用了一种两级主被动复合调谐控制技术。

广州塔顶部两边都对称性地放置了两套相关系统,每套都有一个巨大的消防水箱,重量高达650吨左右,以此来减弱广州塔受到强风或者是地震的振幅。

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没有“震楼器”的摩天大楼

如果没有风阻尼器,摩天大楼会如何呢?

也是在2021年5月,高达355.8米的深圳赛格大厦发生了晃动,当时并没有地震或者是台风,但是这栋大厦却出现了十几秒的摇晃,甚至能明显看见圳赛格大厦楼体摆动的幅度,更别提里面的人,几乎吓得心脏差点蹦出来。

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经过调查研究,原来深圳赛格大厦的晃动是因为顶楼的桅杆造成的,风吹动桅杆摇晃,楼体也与其发生了共振并开始晃动,但是幸好没有引起什么危险,深圳赛格大厦的结构也是经过了较严密的设计,只要拆掉“罪魁祸首”桅杆就没事了。

而美国有一栋279米高的花旗集团中心大楼,即花旗集团总部,是目前全球资产规模最大、收益最多、业务种类最全的金融集团之一。

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设计师在当初设计大楼的时候,为了美观性将花旗中心大楼设计成了一栋“艺术品”大楼,主体大楼甚至只凭借着4根35米的柱子来支撑,因此地基其实并不牢固,也不实用。

要知道美国经常发生台风天气,一旦强风来袭,那么花旗集团中心大楼必然会遭到巨大的打击,那区区4根柱子也无法承担高楼的变动,该大楼也会倒塌。

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恰好在花旗集团中心大楼建成大概才一年的时间,美国预计将在不久后遭遇超强飓风的威胁,其风速甚至达到了每小时220公里,这远远超出了花旗集团中心大楼的承受力度。

为了防止大楼倒塌,花旗集团甚至请了工人连夜赶工,将大楼下的四根柱子焊上合金板,也幸好在焊接的过程中,超强飓风并未到达纽约,反而向北奔去,也保住了花旗集团中心大楼的“命”。

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后来花旗集团中心放置了风阻尼器,重量高达400吨,体积约为7立方米,能够减少大楼在强风影响下所形成的移动多达50%。

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