几乎每年,总有那么十来个月,地处北太平洋西部沿岸的人们会受到台风的困扰。身处内陆的人们感受到的不过是那几天的阴雨罢了,而直面台风的沿海居民的感受则大不相同,如临大敌。停工停业,小孩子也不用上学,猫在家里期待台风的蹂躏可以快点过去。题主看到的楼层晃动通常是针对高层建筑的,上百米的楼房在狂风暴雨中飘摇。就像下面视频中展示的那样。

{!-- PGC_VIDEO:{"thumb_height": 360, "thumb_url": "126b800003c24e5fd1057", "vname": "", "vid": "v02019040000bfub000697arnoo6rcmg", "thumb_width": 640, "src_thumb_uri": "126b800003c24e5fd1057", "sp": "toutiao", "update_thumb_type": 1, "vposter": "http://p0.pstatp.com/origin/126b800003c24e5fd1057", "video_size": {"high": {"duration": 6.52, "h": 404, "subjective_score": 0, "w": 720, "file_size": 116740}, "normal": {"duration": 6.52, "h": 360, "subjective_score": 0, "w": 640, "file_size": 96340}}, "md5": "c3a6faad41a48bed88498a5ab7717e18", "duration": 6.52, "file_sign": "c3a6faad41a48bed88498a5ab7717e18", "thumb_uri": "126b800003c24e5fd1057", "vu": "v02019040000bfub000697arnoo6rcmg"} --}

楼在晃,住在里面的人也心慌慌。那么楼晃动的现象是否正常呢?

台风天,强大而极具破坏力的气旋性漩涡会产生极高的风速。风速是风流动的速度,风速越大,风力自然也越大。通常情况下,风力等级最大为17级,而11级则是台风的入门级。此时的风速可以达到一百多公里每小时。九月份登陆我国东南沿海的强台风——山竹,风力则达到14-15级,可谓是及其凶残了。当空气开始快速流动时,它再也不是平时那般温顺的模样,反而像是一只无形的巴掌,狠狠的拍打在人们的脸庞,当然还有比我们庞大很多的建筑物的身上。这时候的它就孔武有力了,也就是我们通常所说的「风荷载」。作用在建筑物的表面上,既可以表现为吸力也可以表现为压力,风荷载在建筑结构设计时是必须要考虑的一项内容。相关内容在《建筑荷载设计规范》(GB50009-2012)里都有详细的规定。通常情况下套用公式就可以算出建筑物承受的风压。高层建筑或者对于风压敏感的建筑,设计时冗余值会取得更大,以保证足够的安全性。必要时可以通过现场实测、风洞实验等手段以确保设计的结构的安全。像近年来落成的深圳平安金融中心大厦,高度接近600m,在对结构受力控制因素之一的风荷载进行研究时,就利用了风洞模型,以优化设计方案,以降低风荷载的荷载效应。相关研究已经做了很多了,采用的手段也不尽相同。自然情况下,风总是捉摸不定的,建筑物在风中振动摇摆,发生横风向风振和顺风向风振。

实际情况自然是很复杂的。最简单的情况下,就可以把一栋建筑当作一个悬臂梁,一根均匀、连续、各向同性的可变形固体材料,一端固定在地面,一端自由无约束。

而风力则是作用在梁上,或垂直作用或倾斜作用,或均匀分布或杂乱无章。在力的作用下,自然而然会发生梁的变形,这是不可避免的,只有变形大小之分。其间要求材料必须具备相应的强度、刚度及稳定性等。强度是首要问题,因为它关系到结构是否会发生破坏(断裂或失效),毕竟楼晃一晃还能忍,豆腐渣就真的受不了了。当然,对于梁来说,如果必须要控制变形,即具备足够刚度,适当的措施还是必不可少的。比如梁结构会采用箱形、工字行等截面,或改变跨长、改变结构形式。

实际情况下呢,根据《高层建筑设计规范》,高层建筑钢筋混凝土体系,可以采用框架、剪力墙、框架-剪力墙、筒体和板柱-剪力墙结构体系。具体可根据实际需要采用对应结构方案。强台风天气,超高层建筑摆动幅度甚至可以达到1m。听起来十分恐怖,但是相对于整栋楼的高度而言,总体上仍然是个相对较小的数值。这种「小幅度」的摇摆,也让建筑更加坚固,因为有一定弹性的建筑才能承受更大的作用力。将建筑摆动幅度控制在一定值也是建筑师们努力去实现的。例如深圳京基100大厦的91层就通过安装巨型阻尼器来控制建筑摆动,台湾101大厦同样如此。

所以,高楼在强风中摆动是正常的,不动才不正常。至于摆动过大,引起人体不适,那就是另外一回事了。我们更应该担心的是强风之下那些附属结构物的安全,如玻璃、广告牌、外墙装饰物等有可能破碎脱落造成的危害。毕竟,百公里时速下再微小的物件也是致命的。


无论把大楼造得多坚固,它们都会在一定的荷载下震动。小幅度的摇摆实际上可以让建筑物更加坚固,因为表现出一定弹性的建筑物更能经受压力。

目前,全球最高的摩天大楼是 2010 年竣工的迪拜塔,该建筑高达 828 米,有 163 层。在孟买,720 米高的印度塔正在拔地而起;而在两年后,深圳的平安国际金融中心有望成为中国最高楼。

强台风来临时,高楼顶部会出现摆动,摆动幅度最大可达 1 米左右,而雷电也喜欢光顾高楼。因此,如何控制楼体在强风中的摆动幅度,是每一位摩天楼设计者都要考虑的关键问题。

摩天大楼的抗风压问题非常复杂,它在风中既不能不晃(否则容易折断),也不能摆动幅度过大;既要考虑到结构所能承受的最大摆动力度,更要考虑人在大楼里生活的舒适度。

而不论设计理念如何革新,新技术如何层出不穷,在设计高层建筑时,人为制造气流,获取高楼摆动的试验数据,依然是不可或缺的一个环节。这便是所谓的「风洞试验」。

为了获取深圳京基金融中心的合理摆动幅度,设计方专门在汕头大学做了 3 个月的风洞试验。根据试验数据,前者最后在大楼 91 层设计安放了两个重达 300 吨的主动风阻尼器。

风阻尼器犹如摩天大楼的「定心丸」,当台风来临,大楼在风中摆向某一方向时,风阻尼器会在电脑和电机的控制下朝反方向运行,从而减缓大楼的摆幅,发挥出相当于天平砝码的作用。


据说大楼设计的时候会设定一个晃动值,总之是科学计算过的,在这个值的范围内晃动都没有问题,超过这个值就不行了。所以说,台风时大楼在某个值范围内晃动是正常的。


推荐阅读:
相关文章