高楼内部为何悬挂巨大铁球

台北101大楼，前台北国际金融中心，位于我国台湾省台北市信义区金融贸易中心。正如其名，这座大楼总共有101层，总高度达到了508米之高。在这座大楼的88至92层之间，悬挂着一个直径5.5米、重达660吨的大铁球，相当于3架波音737飞机、132只大象的重量。

这不禁令人感到疑惑，为什么摩天大楼内部要悬挂这样一个大铁球呢？图1 101大楼与内部的铁球其实，悬挂这样大的铁球的目的是为了减小建筑物的晃动幅度。

台湾省位于环太平洋地震带上，地壳运动活跃。

此外，台湾在每年夏天都会受到太平洋上形成的台风的影响。

基于这两点原因，101大楼在设计上必须要能防止强震的破坏，还要应对高空强风造成的摇晃。

为了减轻高楼的摇晃幅度，在高楼内部安装一个巨大质量的铁球，用于吸收高楼摇晃时的能量，从而达到抗震、抗台风的目的，保障了高楼的安全性。

事实证明，这个巨大的铁球确实发挥了重要作用。

2015年4月20日上午九点多，在6.3级强震的作用下，这颗在台北101大楼87楼沉睡的超大巨球，突然苏醒了，只见球体摇晃越来越明显，正负摆幅达15厘米，创下台湾地震史上的最大幅度。

台北101大楼也有惊无险，躲过了强震。

2015年8月8日凌晨4点10分，台北市瞬间刮起13级强风，这次台北101大楼的铁球摆动幅度达到了1米，刷新101大楼落成以来摆幅的最高纪录。

图2 铁球的大幅度摆动除了101大楼之外，超高层建筑内部几乎都有这样的“铁球”，有的甚至还不止一个。

例如位于上海陆家嘴的环球金融中心，在90层安装了两个重达150吨、长宽各有九米的“大家伙”。

而经过多年建设的上海中心大厦，更是有着世界上第一个引入电磁原理的“大铁球”，被称为“慧眼”。

这样的铁球重达1000吨，在随着高楼摆动时吸收能量的效率更高，更能保障高楼的结构安全。

图3 上海中心大厦内部的“慧眼”在振动理论中，这样的“铁球”有一个学名，叫做调谐质量阻尼器。

它们一般安装在建筑物的较高层位置，运动形式一般为单摆型。

当有外力作用在建筑物上，建筑物摆动时会将能量传递给阻尼器，使得阻尼器也摆动起来。

经过设计计算，可以使得阻尼器产生与建筑物相反方向的摆动，“消化”建筑物的摇晃程度。

本质上，它的工作原理就是消耗建筑物变形的能量。

图4 调谐质量阻尼器工作原理除了消耗能量之外，还有另一种建筑物的抗震设计，这种设计就是隔震。

隔震技术是通过在上部结构与下部结构之间设置隔震层，以避开地震对建筑物的能量输入。

按照隔震层的不同结构分为弹性支承与滑动支承两大类，弹性支承类隔震装置,一般采用橡胶等柔性材料,地震时柔性材料发生较大水平变形，阻止了携带主要能量的高频地震波向上部结构传递，上部结构所受地震作用显著减小。

而滑动支承类隔震装置内部有一滑动界面，当地震引起的惯性力大于最大静摩擦力时，上部结构即可在隔震装置的滑动界面上产生滑动，避免剧烈的地表运动传至上部结构。

图5 弹性支撑类隔震装置示意在高层建筑设计的最后阶段，工程师往往会根据当地的风压、地质结构以及建筑物的形状对建筑物的模型进行风洞实验，模拟各种极端条件下建筑物的承载能力，以此确保建筑物的可靠性。

在他们严谨的计算和精确地实验下，人类可以住的更高，同时住的更安全。

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