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4月3日上午7时58分,中国台湾花莲县海域发生7.3级地震,全台明显摇晃。截至5日12时,地震遇难人数已升至12人,损坏至少 770 座建筑物。

在距离震中仅128公里的台北,建筑物也在台湾25年来最强烈的地震中剧烈摇晃。但作为现代工程的标志性成果,高耸入云的台北101大楼在地震事件中毫发无伤。

地震中严重倾斜的花莲天王星大楼

台北101大楼由CY Lee & Partners设计,占地面积30277平方米,建筑面积39.8万平方米,高508米,结构高度438米,地上101层,地下5层。塔楼每8层楼为1个结构单元,彼此接续、层层相叠,构筑整体。从2004年到2007年一直是世界最高建筑,后来被迪拜的哈利法塔超越。

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台北101大楼曾是世界第一高楼

据网友拍摄的地震视频显示,这座高耸入云的摩天大楼轻微晃动,其结构的灵活性有效的抵抗地震引发的强烈运动,显示大楼在抗震方面的设计尤为关键和先进。

首先,台北101大楼采用巨型框架-核心筒-伸臂桁架结构体系,主要建造材料为钢筋混凝土。这种材料结合了混凝土的抗压强度和钢材的抗拉强度,使得建筑物既具有一定的灵活性来摇摆,又有足够的刚性来抵御强风和地震力。

调谐质量阻尼器悬挂在第87层和第92层之间

其次,台北101大楼的设计理念遵循了“随动”原则,即建筑物在地震力作用下,通过自身的摇摆来承受地震力,而不是与之对抗。这种设计理念在东亚国家的地震多发地区有着悠久的历史,如中国的宫殿和日本的宝塔等。

此外,最关键的是台北101大楼采用了一项重要的技术创新——调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)。这个重达660吨、直径5.5米的巨型金色钢球悬挂在大楼的第87层和第92层之间,通过92根粗缆绳固定。当建筑物开始摇晃时,这一钢球会向相反方向移动(可以向任何方向移动约1.5米),从而抵消建筑物的摇摆运动。据帮助制造该设备的A+H Tuned Mass Dampers 公司称,这颗“定楼神球”能够减少或“抑制”建筑物高达 40% 的运动。

“它就像钟摆一样消减外力引发的运动”

“它本质上是一个非常大的配重,”《超高层》(Supertall)一书的作者Stefan Al在媒体采访中解释道。“以台北101为例,重量为660吨。这看起来确实很重,但如果你把它与建筑物的总重量相比,它只是一小部分。

“当(台北101)开始摇晃时,悬挂的调谐质量阻尼器将向相反方向移动。它就像钟摆一样消减外力引发的运动。”Stefan Al 解释说,“这种装置可以将摇摆能量转化为热量并消散,有效防止了可能因谐波振动而引起的剧烈运动。”

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台北101大楼中的调谐质量阻尼器

目前世界各地的摩天大楼都采用了调谐质量阻尼器,包括纽约的“超瘦”施坦威大厦和非常规造型如迪拜帆船酒店。它们均配备有此类设备以抵御“谐波振动”引发的潜在结构失效风险,起到吸收、分散运动和振动中的能量的作用。

建筑与地震的抗争将持续存在,除了阻尼器,灵活的地基系统、科学结构与创新材料也能发挥关键作用。