风引发的共振现象:赛格大厦的晃动之谜

作者: Mirror

来源: 把科学带回家

发布日期: 2021-05-28

深圳赛格大厦在风平浪静的一天出现明显晃动,主流推测是风引发的共振现象。文章详细解释了共振的原理,以及如何通过阻尼器等技术手段减轻建筑物的振动,确保高层建筑的安全性。

5月18日,看似风平浪静的一天,深圳赛格大厦却出现明显晃动。这座建成于1999年的大楼已经见识过不少大风大浪,为什么会被不超过5级的风撼动?虽然还未有定论,但目前的主流推测是风引发的共振。是什么“妖风”引发了共振?在我们身边不乏高层建筑,这种效应会不会导致高楼晃塌?毕竟中学我们就学过军队齐步走振塌桥梁的案例——军队行进的频率恰好与桥梁固有频率一致,引发共振,导致桥梁大幅振荡而倒塌。

这是1831年发生在英国布劳顿吊桥上的真实案例。

其实很多超高层建筑中的居民已经对大风天摇摆的高楼习以为常。举最极端的例子——世界第一高楼哈利法塔,828米高的楼顶处晃动幅度可达2米。高处风大,出现较大幅度的晃动不奇怪。但实际上,风要晃动高楼并不需要有多强劲,只要形成一种特殊涡旋效应——涡旋脱落(vortex shedding)就足以使大楼为之颤抖。

涡旋,大家并不陌生,最常见的就是冲马桶时进入下水道的涡旋。而涡旋脱落产生的是一连串涡旋,这些涡旋呈周期性规律排列的现象被称为卡门涡街(Kármán vortex street)。

空气也会如此。当流体(气流或水流)遇到障碍物时,它们没法从中间穿过去,就会挨着物体两侧绕开。对于机翼那样的流线型物体,流体可以顺滑地“溜”过去,不激起波澜。但更常见的情况是,障碍物会让流体发生扰动。

当绕行流体的惯性力与粘滞力比值(雷诺数)恰好满足一定关系(通常大于90)时,就会在物体下游两侧“脱落”出两列涡旋,而且是一侧顺时针、另一侧逆时针地交替出现。这种涡旋交替分列两道的样子,让人联想到了道路两侧的街灯。又因为物理学家西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán)最先解释了这一现象,故得名“卡门涡街”。

光出现卡门涡街还不是破坏力最强的,最怕卡门涡街的频率刚好和障碍物的固有频率一致,发生涡激共振。每个物体都有自己的固有频率,比如拨动粗细不同的吉他弦,它们的振动频率不一样,这也决定了每根弦的音高不同。卡门涡街的频率和流体速度,以及障碍物的迎面宽度有关。流体速度越大、物体迎面宽度越小,卡门涡街频率越大。而建筑物的结构复杂,不同部位的固有频率不同。

当卡门涡街的频率刚好与某一固有频率合拍时,就会发生共振,加剧涡街带来的振动。

卡门涡街引发的振动在烟囱、冷却塔、塔楼、管道等高挑的圆柱形物体附近更明显。当它与物体发生共振时可以产生相当大的破坏力。1965年,英国费里布里奇发电站100多米高的冷却塔接连倒塌,正是因为卡门涡街引发共振。为此,一些烟囱、冷却塔顶安装上了螺旋形扇叶,阻碍卡门涡街形成。

减轻振动最常用的方法是安装阻尼器,它的作用相当于汽车上的安全气囊,可以吸收缓冲一部分风或地震带来的振动冲击。台北101大楼在90层左右的位置安装了一个730吨的金色大摆锤,这是一种调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)。每当强风侵袭,楼开始有晃动倾向,液压系统便推动摆锤朝反方向晃动,以抵消部分对楼的振动。

很多高层建筑在外形和基本结构上已经重点考虑了风力的影响,即使出现一定幅度晃动也不会坍塌,安装阻尼器更多时候是为了住户的舒适度,以免引起恐慌。

赛格大厦采用的钢管混凝土结构——外层钢管,内层混凝土,理论上也是一种相当稳固的结构。楼体侧方受力时,外侧拉伸得最厉害,那里的钢管耐拉伸,可以抵抗弯折;而内层混凝土不耐拉伸,但垂直方向的抗压能力强,在内部起承重作用。

据专家推测,赛格大厦的这次晃动除了可能因为“逛了下卡门涡街”,地铁运行带来的震动和温差剧变导致的钢结构形变,以及抗侧力构件失效等因素,都可能助推了这场波澜。好在它还不至于造成像金刚大战哥斯拉那样,大楼倾塌的灾难。

在修建超高层建筑前,工程师必须充分考虑当地历年来的环境条件,对建筑模型进行风洞实验,确保大楼能挺过至少半个世纪的风雨。尽管有时人算不如天算,也可能不够预算,但安全永远应该放在第一位。

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