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油壓阻尼器在超高大樓的抗風減振應用


地震具有瞬間破壞超高大樓的力量,而風勢則能使超高大樓不停擺動,讓大樓裡的人產生暈眩、噁心等不舒服的感覺。多地震、多颱風的臺灣,設計超高大樓時,必須同時考慮這兩項自然環境因素。


颱風來襲時,超高大樓承受劇烈變動的風壓,而產生強烈晃動。根據工程計算,三、四十層樓以上的大樓在設計時,風力所造成的舒適度考量,已經超越地震力的考量。


欲提升大樓在強風吹襲中的舒適度,固然可加粗柱子的尺寸,提升超高大樓的剛硬度以減輕大樓的晃動,但如此一來,使用空間上頗不經濟。那麼臺北101大樓是如何抗風減振呢?


101大樓92樓到87樓之間,以12公尺長的纜索,懸掛了一顆重達660噸的質量塊。纜索的上方固定在92樓,下方的質量塊則垂掛在87樓處,並且以8支阻尼器與樓板連接,組成單擺式的「調諧質塊阻尼器減振系統,(Tune Mass Damper)」。

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當101大樓承受風壓而擺動時,懸掛的質量塊因為「質量慣性作用」,與大樓有了相對運動,使阻尼器拉伸或壓縮。阻尼器拉伸或壓縮過程中,吸收了大樓的振動能量,減輕大樓晃動的程度。

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101大樓的抗風減振系統,裝置空間多達6個樓層,許多參觀民眾都曾有相同的疑惑:為什麼質量塊的纜索不短一些,好騰出更多的營業空間呢?


事實上,101大樓的抗風減振系統,是「共振現象」的應用案例。擺長12公尺的擺錘,其自然振動週期為6.9秒,與101大樓的自然振動週期6.8秒相當接近,可形成共振。如果擺長過長或過短,則兩者頻率差異過大,將無法形成共振。


大樓與擺錘形成共振時,會產生強烈的相對運動,阻尼器因而能大幅拉伸與壓縮,為大樓吸收大量的振動能量,減輕大樓晃動的程度。如果擺長過短或過長,「共振現象」不存在,阻尼器無法大幅拉伸與壓縮,便不能為大樓晃動吸收大量的振動能量。

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(左圖) 擺長5公尺 單擺振動週期4.5秒

(中圖) 擺長12公尺 單擺振動週期6.9秒

(右圖) 擺長20公尺 單擺振動週期9.0秒


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