贝碧嘉刚走,普拉桑又来了
“慧眼”为啥能救上海中心大厦
看看阻尼器是如何挽狂澜于既倒,
扶大厦之将倾
实验器材
空瓶、重物、绳子、电吹风、所标杯
实验步骤
给瓶盖穿孔。
用绳子将重物绑住,作为我们的“慧眼”阻尼器。
第三步:
将绳的另一头穿过瓶盖。然后打一个死结,将绳子的一端固定住。
第四步:
将阻尼器放进瓶中。我们的“上海中心大厦”就大功告成啦!
第五步:
将一个的空瓶和装有阻尼器的空瓶并排放置。用电吹风模拟“台风”吹向两座大厦。如下方视频所示,没有安装阻尼器的“大厦”在“台风”的作用下轻易的吹倒了,而安装了阻尼器的“上海中心大厦”在“台风”的攻击下稳如泰山。即便我们增大了台风的风力,“ 上海中心大厦”仍旧无法被吹到。
需要注意的是,演示实验中,两座“大厦”的质量有所差别。这种质量差也对“大厦”的稳定性产生了重要的影响。在大风的影响下,实验中质量更重的“大厦”因为惯性的缘故而难以被动摇。因此,其稳定性也越佳。然而,现实的摩天大楼并不会刻意追求自身重量的提升以提高稳定性。因为更大的重量会对地基等结构基础提出更高的要求。
在阻尼器的帮助下,这种大厦不仅可以硬刚台风,还能和“地震”掰一掰手腕。如下方视频所示,我们用手摇托盘的方式模拟地震,安装有阻尼器的大厦很难被震倒。
更加直观来看,我们使用可以调节频率的振动器模拟地震。如下方视频所示,安装有阻尼器的大厦中,阻尼器随着地面振动而摆动,从而抵消地震造成的影响。
原理解说
上海中心大厦中的“慧眼”阻尼器本质上是一种调谐质量阻尼器。其核心是一个大质量块,这个质量块的惯性是其功能的关键。阻尼器的设计原则是使其自振频率与待控制结构的振动频率(如风引起的振动)相匹配。
当建筑物或桥梁受到外界扰动而发生振动时,调谐质量阻尼器会感知到这种振动。当结构振动时,调谐质量块也开始振动,由于质量块的移动产生的反作用力会与原结构的振动产生相互作用,能量从结构传递到质量块。
根据牛顿第二定律,物体的加速度与其所受的力成正比,而与其质量成反比,因此,较大的质量块会在振动中产生显著的反作用力,以抑制结构的运动。
另外,质量块的重心位置影响其对整个系统的稳定性和动态响应,当结构发生运动时,重心的运动会影响质量块的动态行为,适当的重心布置可以帮助提高阻尼器的效率,使其能更有效地对抗结构的振动。
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