汇资讯丨台风地震中,为啥摩天大楼反而比一般建筑更安全?

发布时间:2018-09-27   作者:admin

想要在地震台风中立得住,首先材料得给力;其次,高层建筑的结构形式也与众不同;另外,大楼顶上都会有一个球状的阻尼结构,重达500吨以上,这个重量可不白加;而且,为了抗风,高层建筑的外观同样重要,通常设计为圆柱形;除了这些以外,大楼还有丢“卒”保“车”这一招。

  随着摩天大楼的高度越盖越高,如今,一二百米的大楼已经不是什么新鲜事了。

  各大城市纷纷建起了500米以上的超高层,作为自己的地标性建筑,有些城市的超高层建筑甚至不止一座,而像香港这样地狭人稠的城市几乎所有的建筑都是超高层。

台风1

(香港的市中心,目力所及之处几乎都是超高层建筑)

  超高层建筑就像一根根筷子一样插在地上,形成了当代人造奇观的同时也在引人疑惑:

  这样反重力的建筑,真的安全吗?就算平时安全,来了台风大地震,它们仍然安全吗?

台风2

(台风“山竹”过境时,高楼剧烈晃动)

  你别说,在现代建筑科技的加持下,这些看似弱不禁风的摩天大楼甚至比一般的建筑还要安全。这是怎么一回事呢?

  (一)想要在大风中立得住,首先材料得给力

  人类建造“高层建筑”的历史已经有几千年了。

  埃及的胡夫金字塔有146米之高,从高度上来说也可以称得上是个“高层建筑”。不过,胡夫金字塔可并没有什么技术含量,它所使用的只不过是一种原始的“混凝土”,强度连现如今最差的烧结粘土砖都不如,甚至用手一抠都能掉渣。

  它之所以能屹立千年不倒,在于结构的上小下大,十分稳固,加之其中的墓穴空间很小,绝大多数的体积都是实心的巨型砖块,整个胡夫金字塔看似庞大,实则内部受的应力很小,金字塔的自重都被庞大的体积传给了地面。

台风3

建筑构件不怕压,就怕弯。一块砖放在楼房里,怎么压也压不坏,但拿出来用手劈,力气大的人就能劈开,反映的正是这个原理。

  现代建筑通常将抗拉的钢筋埋设在抗压的混凝土当中,形成抗弯折能力很强的钢筋混凝土结构构件,拿它做房梁,可以承受很大的垂直压力;拿它做柱子,就可以抵抗很强的侧向力,也就是我们所熟知的飓风、地震的力。

  在超高层建筑中,还不仅仅是钢筋混凝土这么简单。

  首先,相比起一般的建筑,超高层建筑的钢筋和混凝土的标号都很高,强度通常可以达到普通钢材和普通混凝土的两倍。

  其次,高层建筑还往往会采用预应力构件,它将预先紧绷的钢绞索埋置在混凝土中,给混凝土预先施加一个很大的压力。这样一来,原本只能抗压的混凝土就会变成既能抗压、又能抗拉的材料,又坚又韧,抵抗外力作用的能力比普通构件又高了三五成。

  此外,高层建筑中还经常使用钢管混凝土这种“开了挂”的构件。它在钢管内填充混凝土,在外面钢管的约束下,混凝土的抗压能力被发挥到了极限,承载力之高宛如一根纯钢的柱子。

台风4

正是有了这些先进的材料和结构构件,高层建筑才有了其存在的基础。

  (二)光有材料还不够,高层建筑的结构形式也与众不同

  几层、十几层的普通建筑,通常采用的是框架——剪力墙结构,它们的分工很明确,框架用来承担竖直的压力,剪力墙用来承担横向的地震力、风力。

  不过对于超高层建筑而言,由于它的长细比远远高于一般建筑,自重也百倍于普通楼房,因此受到的地震力、风力都远远大于普通建筑。很多时候,这些横向力甚至比竖直的压力对大楼的危害更大。因此,再采用普通建筑的简单结构形式就不行了。

  与四处刚度基本均匀的普通楼房不同,超高层建筑通常会采用一种核心筒结构,外面“软”,里面“硬”。

  在大楼的内部,有一根与大楼等高的核心筒,它并不是严格意义上四面封闭的“筒”,而是一个有很多开口,但墙体极厚、内部配筋极多、强度极高的结构。在受力上,它就像是整座大楼的一根骨骼,撑起整座大楼。

  由于墙体厚、开口小,这一结构通常被用来充当电梯井。而外面附着的框架则可以提供面积很大的整体性空间,供人们使用。

台风5

(建设中的大楼,中间的就是核心筒)

  当台风、地震等巨大的横向力袭来时,核心筒可以与周围的稀疏框架相互配合,协同受力,形成双重抗震防线。

  (三)大楼头上顶个“球”,这个重量不白加

  尽管有了这些措施,大楼的安全性已经不太成问题了,但大楼却还有另外一个问题,就是使用的舒适性。

  超高层建筑的建筑高度实在太高,因此毫不夸张地说,只要下面一层晃动一厘米,楼顶就要晃动一米。这样晃起来,大楼的安全倒还没事,可是却满足不了人们的使用需求。

  超高层大楼的高度太高,从力学的角度讲,大楼实际上是一种很柔软的东西,软,就意味着它很容易形成共振。

  2011年的东日本海大地震,当地震力传到日本西部城市大阪的时候,事实上地震烈度已经很低了,走在街上的人很多甚至没有感受到。然而,由于漫长的距离中,地层过滤掉了快速震动的短波,留下了振动很慢的长波,这些长波的频率恰好与大阪那些摩天大楼的频率相吻合,因此那次地震将这些摩天大楼摇晃得一塌糊涂,最后虽然楼没事,但楼里的人都吓了个半死。

  因此,大楼在设计过程中,就要时时考虑到自振频率的问题,通过调节大楼各个地方的刚度,使得它尽量不要被风一吹、被地震一摇晃,就不由自主地振动起来。

  可是,这些措施能够改变的自振频率十分有限,要想真正解决问题,还是要靠阻尼器。

台风7

 (台北101大厦楼顶的阻尼器)

 所谓阻尼器,通常是一颗挂在大楼楼顶的大钢球。我们最熟知的阻尼器,就是台北101大厦楼顶供人们参观的那颗。

  这些大钢球通常重达500吨以上,说是球,实则是用许多片厚钢板焊接而成的近似球形的巨大金属块。它们万一掉下来,会将整个大楼从头到脚砸个透心凉。但不用担心,吊住它们的钢丝强度极高,是普通钢材强度的十倍,哪怕断了几根,剩下的也足以托住钢球。

  当地震或台风到来时,大楼不由自主地晃向一端,而大钢球则由于惯性停留在原位不动。这样一来,就会拉住大楼,让它轻点晃。这就相当于为大楼的振动施加了巨大的阻尼,“阻尼器”的名字正是由此得来。

  有些大楼的设计者觉得,吊着这样一根重而无用的大钢球可惜了,于是他们把大钢球替换成了等重的消防水箱。这个巨型水箱平时可以充当阻尼器,特殊情况还可以拿来灭火,简直是“浑身都是宝”。将阻尼器和水箱合二为一,大大降低了成本和建筑的自重。

(四)为了抗风,高层建筑的外观也很重要

  建筑物承受荷载靠的是内部的结构构件,外观设计则更多的要考虑美观。那是不是这些肩不能扛、手不能提的外墙面形状就和大楼的受力毫无关系了呢?还真不是。它们与风力的作用息息相关。

  大风吹过,同样等级的大风作用在不同形状的楼上时,大楼受到的力是不一样的。圆柱形大楼受到的风力就要远远小于正方形或者不规则形状受到的风力。因此,建筑师设计外墙虽然要追求美观,可也不能怎么浪怎么来,还是要遵照一般的大楼设计规则。

台风6

在多风的沿海城市,当大楼的外立面出现了尖角时,就要考虑将它变成圆角。小小一个操作,就可以极大地降低风对它的作用。

  (五)大震到来,大楼还有丢“卒”保“车”这一招

  尽管做到了面面俱到,但人们预料不到的重大灾害仍然有可能发生,当远超设计极限的重大地震到来时,如何做才能让大楼内的人在倒塌之前及时撤离,将伤亡降至最低,这也是工程师们需要研究的问题。

  在大楼的设计中,常常存在一些“延性设计”,也就是在一些不太重要的位置上使用一些强度不太高,但变形能力很强的构件。

  当特大地震发生时,这些构件会发生变形,在自身的变形过程中吸收大量的地震能,进而减弱地震对大楼其它部位的损害,牺牲自己,保全整个大楼。

  地震过后,尽管大楼已经发生了很大的变形,但不会倒塌,楼内的人员可以快速疏散出来。如果事后检测发现大楼的主体结构未发生损伤,那么在替换掉这些坏了的构件之后,大楼还可以重新投入使用。

台风8

 (高延性混凝土)

  结语

  超高层建筑通常都是城市的重点建筑,它的造价远远高于一般建筑,安全性更是重中之重。怎么样,知道了这些超高层建筑背后的故事,“摩天大楼恐惧症”是不是减轻了很多?下次台风来了,请尽管稳如狗地躲在里面吧,人家比一般的大楼还要安全呢。


作者:须臾千秋 清华工程博士