634米的世界第一高塔「東京晴空塔」如何抵禦強風？

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【日經BP社報導】即將於5月22日開業的東京新地標「晴空塔」（Sky Tree）以其634米的高度被吉尼斯世界紀錄認定為「世界第一高塔」。在作為電波發射塔的晴空塔的頂端，有一個被稱為「信號增益塔（Gain Tower）」的約140米的天線塔。天線塔最上端設置有一個被稱為「頂部TMD」的減振裝置，可用來降低大風造成的信號增益塔搖擺。

相對風向沿直角方向搖擺的天線塔

將於5月22日開業的東京晴空塔

        「相對於風向，塔會沿著直角方向出現大幅搖擺，這是關鍵問題。將搖擺控制在最小，是該裝置被賦予的使命。」

        說這番話的是三菱重工鋼結構工程公司（Mitsubishi Heavy Industries Bridge & Steel Structures Engineering）建築業務本部的久保充司。

        「該裝置」指的是安裝在晴空塔最頂端的減振裝置「頂部TMD（Tuned Mass Damper）」。  

        晴空塔實現了634米的高度，于2011年11月17日被吉尼斯世界記錄認定為「世界第一高塔」。將於5月22日開業，最近作為觀光塔給人留下的印象比較深。然而，其本來的作用是電波發射塔。因此，在塔的頂端設置有被稱為「信號增益塔」的大約140米的天線塔。

        在設置信號增益塔的地上500多米處附近，風幾乎不會停息。因此，信號增益塔常常被風吹得搖來擺去。然而，如果搖擺過於劇烈，那麼從天線發出的電波的頻率便會紊亂，從而無法起到電波發射塔的作用。於是，為了降低大風造成的信號增益塔搖擺，便安裝了頂部TMD。

        而且，令人驚奇的是，信號增益塔的搖擺並不是風力越強就越劇烈。最劇烈的搖擺是在風速為每秒大約10～15米時。這一數值在日本氣象廳的劃分中相當於「風力稍強」，並不是多麼強烈的風。但是，在這種風速下，會出現相對於風向沿直角方向劇烈搖擺的情況。  

其原因在於「卡曼渦流」（Karman Vortex）。信號增益塔呈圓柱形。因此，當風吹到信號增益塔上時，風會在塔的後部出現亂流，從而產生被稱為卡曼渦流的空氣渦流。其結果是，信號增益塔周圍的氣壓因此發生變化。這就是塔相對於風吹的方向沿直角方向搖擺的原因。這種現象被稱為「渦激振動（Vortex Induced Vibration）」。

        而且，當風的亂流週期與塔的搖擺週期一致時，渦激振動達到最大。拿信號增益塔來說，推測出現這種情況是在風速約10～15米時。

        渦激振動現象不僅限于信號增益塔，在塔、煙囪等塔體及橋樑上也會發生。因此，儘管不太為人知，但在這些高層建築物的頂部通常要設置減振裝置。

        參與了從頂部TMD的設計到開發的久保介紹說：「當我們受託研究頂部TMD的設計時，我們曾想，通過對以往應用於塔體的減振裝置進行改進，就能滿足要求了吧。」

        久保所屬的三菱重工鋼結構工程公司迄今為止建設了很多超高煙囪及橋樑。此外，久保還一直承擔著超高層建築減振裝置的開發工作。

將振動能量轉換成重錘的搖擺

頂部TMD是利用了「重錘」原理的減振裝置。

        相對於信號增益塔的搖擺，頂部TMD的重錘以慢四分之一週期搖擺。以此將信號增益塔的振動能量轉換成TMD重錘的搖擺，從而減輕信號增益塔的搖擺。而且，通過設置油液緩衝器（Oil Damper），不僅可提高性能，還可抑制地震時頂部TMD的搖擺。

        順便提一下，除了大風之外，晴空塔還容易受地震的影響，因而除頂部TMD之外，還配備了貫穿塔中心的名為「芯柱減振」的減振裝置。該裝置利用了作為外部結構的鋼筋「塔體」與鋼筋混凝土「芯柱」的搖擺週期的差異，可將地震導致的整個塔體的搖擺最大降低50％。

        現在，晴空塔上設置的頂部TMD為2座，高度620米處和625米處各1座，重量合計達65噸。塔的晃動週期取決於形狀、重量和比例。65噸這一數字是在計算出包括增益塔在內的晴空塔整體晃動週期後推算出的數值。2座頂部TMD的尺寸均為長6米、寬6米、高近4米。

        久保解釋說：「分成2座的首要原因是，如果採用1座65噸的裝置，將無法容納在增益塔內。而且，在檢修之時，如果關閉其中1座，另1座還能繼續工作。」  

配置在東京晴空塔頂端的2座頂部TMD

        結構如圖所示。

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首先，「配重」和支撐配重的「框架」起著重錘的作用。用「萬向節」對其進行支撐。重錘能夠以萬向節為支點，向360度任意方向自由擺動，以適應所有風向。如果把擺錘看作是以支點為中心逆向豎立的結構，應該比較容易理解。  

頂部TMD的結構

        4條「推拉彈簧」起著相對增益塔的週期調節重錘週期的作用。「油壓減振器」的作用是提升性能，遏制地震時TMD的晃動。此外，護舷材料是指緩衝材料，是重錘的剎車器。

        久保說：「護舷材料的作用是防止重錘擺動過大，劇烈碰撞裝置的底座使其損壞。是這次最費神的地方之一。」

        承擔東京晴空塔結構設計的日建設計公司就設置頂部TMD向三菱重工鋼結構工程探詢是在2007年。之後，三菱重工鋼結構工程于2009年與施工公司大林組正式簽約，開始進行詳細設計。日建設計提出的要求大致分為2點。一是設置65噸級的裝置，二是裝置要安全、牢固，能夠抗大地震，使壽命達到百年。

        久保透露：「但分析地震晃動結果顯示，如果使用現有的用於煙囪的減振裝置，重錘會劇烈搖擺並且斷裂、損壞。」

        因此，該公司把護舷材料加厚到過去的2.5倍以上，使承受範圍達到了設想的最大振幅。

不控制在4米之內就不成「634」

另一方面，久保也為高度的限制而犯愁。

        久保說：「單座裝置的高度必須控制在4米之內。因為頂部TMD的原因，高度必須在與『武藏（MUSASHI）』諧音的634米內，多1米都不行。」

        例如，推拉彈簧是由直徑約為7釐米的鐵棒卷成，直徑約為60釐米。是彈簧中的最大級別。這是達到需要性能的必須條件。

        因此，久保為了在滿足所需性能的同時，使裝置完全容納在要求的空間之內，對推拉彈簧、油壓減振器、護舷材料的配置和結構進行了「精雕細琢」。工作之困難，就像在拼圖中嵌入細小的拼塊一樣。

        而且還要考慮到搬運和施工。

        為此，三菱重工鋼結構工程在廣島總公司和三菱重工的實驗場反覆進行各項實驗，確認安全性後，製造了頂部TMD。從廣島到晴空塔所在地東京押上，採用卡車運輸，但卡車能夠運輸的體積和重量有限。因此，只能在解體後運輸。

        而且，在押上的建設現場，按照計劃，頂部TMD將使用塔吊吊至晴空塔高497米的位置，與從下方自升式爬升的增益塔的最頂部合為一體。

        但塔吊也有約32噸的限重，組裝必須在高497米的位置進行。在設計時需要考慮到如何才能合理分割裝置，有效進行組裝。

考驗在今後，創造能夠使用百年的減振裝置

40噸的頂部TMD于2010年11月、25噸的頂部TMD于12月在減振機房中完成安裝，順利與增益塔合為一體。實際負責施工的雖然是大林組，但久保作為施工指導，也接連幾天攀上了497米的高度。

        久保回顧當時道：「第一次上去的時候看到了富士山，非常感動。但每次下了升降梯之後，還要順著外部設置的腳手架的臺階向上爬大約50米，起初非常辛苦。」

在高497米的位置，正在向增益塔頂部的振動控制機房內設置頂部TMD。

        之後，安裝了頂部TMD的增益塔沒有受到2011年3月11日發生的東日本大地震的影響，繼續向上爬升，于3月18日到達了終點——634米。

        但是，由於之後還有芯柱、電梯井和內部裝飾等施工，在全部施工結束前，重錘一直保持固定。2012年1月14日，久保解除固定，實施了頂部TMD的最終調整。

        久保說：「精度與設計基本相符，懸著的心終於放下了。」但他同時也認真地表示：「話雖如此，真正的考驗才剛剛開始。我們將定期實施檢查和維修，使頂部TMD能夠在今後的100多年里正常地發揮減振裝置的作用。」

        在最後，久保這樣說道。

        「日本是個島國，四面環海，因此經常颳風，颱風也比較多。而且還是地震大國。因此，針對建築物晃動的安全標準十分嚴格。減振裝置和抗震裝置的相關技術開發很熱門。不只是我們公司，日本企業在這一領域的技術實力和業績一馬當先。在今後應該能夠為亞洲地區的經濟發展做出重大貢獻。」

        今後，三菱重工鋼結構工程計劃以晴空塔的成功案例為基礎，以正在積極建設高塔和高層大廈的亞洲為中心，加快在海外的發展。（《日經商務在線》特約撰稿人：山田久美）【日經能源環境網】

http://big5.nikkeibp.com.cn/eco/m/2652-20120418.html?limitstart=0

wheretogo

這個鏤空建筑還需要這種重錘{:terrible:}

孤寂如雲

wheretogo 發表於 2012-4-27 22:52
這個鏤空建筑還需要這種重錘

參考廣州塔的設計

另外，我還以為天空樹才是新東京塔的名稱呢。