今年的第9号台风“利奇马”于本月10号凌晨在浙江登陆,上岸以来对我国东部沿海等地将造成严重影响。据中国新闻网报道,截至11日17时,台风“利奇马”已造成浙江、上海、江苏、安徽、山东、福建等6省(市)651万人受灾。台风天里,不少高楼都出现了摇晃现象,是豆腐渣工程吗?摩天大楼在遭遇台风和地震的时候,受到变化的风荷载、地震动作用,会产生往复的动力变形,也就是大家感受到的“摇晃”。
结构物的振动是无法避免的,是结构在动力作用下的必然反应。实际上,在平时,大楼也会有振动,只是振动的幅度很小,人们很难注意到。在台风、地震这样的强烈荷载作用下,大楼的振动幅度也就相应增加了。此外,摩天大楼也需要通过“摇晃”来消耗掉台风和地震输入的大量能量。
大楼动工前,都要由工程师进行结构设计。工程师们会根据大楼所处的地理位置,预估大楼可能承受的地震和台风作用,并进行相应的设计,尽量减少大楼在这些外荷载作用下的结构响应。在沿海强风地区,风荷载往往是结构设计中的控制性因素,所以工程师们往往会采用抗风设计。抗风设计必须满足结构的强度、刚度、舒适度、抗疲劳破坏等设计要求,确保结构在风荷载作用下不会发生倒塌、开裂,也不会发生过大的位移,以保证结构的安全。
如果仅仅依靠结构物的变形来抵抗台风和地震的作用,在建设过程中,需要投入大量的成本以提高建筑物本身的性能,这样必然会导致材料的浪费。这时候,一种可以吸收或者消耗台风和地震带来的能量并减轻结构振动的装置——阻尼器就登场了。阻尼器一般可分为两种,一种是耗能阻尼器,一种是调谐阻尼器。
从能量的观点看,台风或者地震输入到建筑物中的能量是一定的,因此,耗能装置耗散的能量越多,则结构本身需要耗散的能量就越小,耗能阻尼器就是利用这样的原理减轻建筑物的振动。
阻尼器属于结构振动控制的一种,按是否有外部能源输入可分为主动控制(有外部能源输入)、被动控制(无外部能源输入)或介于两者之间的半主动控制。
上述的例子都属于被动控制:在结构的某些部位设置一些耗能装置或阻尼器,通过耗散或吸收主结构振动能量,从而减轻结构的动力反应。面对天灾,人们有没有可能对建筑物的振动进行主动控制呢?日本横滨LANDMARK TOWER大楼是日本第一高楼,它采用电脑控制的主动式阻尼器(Active Tuned Damper)。
通过控制装置,在结构受台风和地震作用而运动的过程中,主动地施加一组实时控制力,改变结构动力特性,以达到减少或抑制结构动力反应的目的。