是誰(shuí)晃動(dòng)了大廈

文 《法人》特約撰稿 王永健

On May 18,Shenzhen Saige Tower suddenly shaking caused concern.Preliminary investigation results show that the shaking of the building was caused by wind load,and it was vibrating up and down.Therefore,some experts have suggested installing dampers to reduce the amplitude.So,what is the damper? What does it do?

CFP

5 月18 日，深圳賽格大廈突發(fā)晃動(dòng)引發(fā)關(guān)注。隨后幾天，多家專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)大廈的振動(dòng)、傾斜、沉降等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，均未顯示異常。目前，樓內(nèi)人員已全部撤離，晃動(dòng)原因仍在進(jìn)一步核查。

賽格大廈地處廣東省深圳市華強(qiáng)北，以擁有賽格電子市場(chǎng)而聞名全國(guó)。賽格廣場(chǎng)曾因其獨(dú)特的設(shè)計(jì)，在2001 年被評(píng)為“國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)”。初步調(diào)查結(jié)果表明，此次大廈的晃動(dòng)是由風(fēng)載引起的，而且是上下振動(dòng)。因此，一些專家建議大樓增設(shè)阻尼器，以降低振幅。那么，阻尼器是什么？它又有什么作用？

高層大廈的“定海神針”

專家的初步結(jié)論基本合理，但并沒(méi)有解釋賽格大廈上下振動(dòng)的原因。事發(fā)當(dāng)天，深圳地區(qū)的風(fēng)并不大，約為3 級(jí)風(fēng)，局部地區(qū)偶有5 級(jí)風(fēng)。但即便是5 級(jí)風(fēng)，也并不只有事發(fā)當(dāng)天才出現(xiàn)。要知道，賽格大廈建成至今已有21 年之久。也有一些網(wǎng)傳稱，6 年前出現(xiàn)過(guò)類似晃動(dòng)?？梢哉f(shuō)，初步調(diào)查結(jié)論并未對(duì)此進(jìn)行解釋。

在我國(guó)沿海地區(qū)，臺(tái)風(fēng)肆虐時(shí)吹斷樹(shù)木、破壞建筑物的新聞層出不窮，但那些高樓為什么沒(méi)有受到影響呢？其實(shí)是因?yàn)楦邔咏ㄖ话愣寂溆酗L(fēng)阻尼器。

在中國(guó)第一個(gè)安裝風(fēng)阻尼器的是臺(tái)北的101 大廈

卡門渦街，氣流從左向右

阻尼器是一個(gè)力學(xué)名詞，它可對(duì)結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行衰減，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)能量的消耗，具有緩沖減振效果。阻尼器應(yīng)用于高層建筑后，可以減小因風(fēng)來(lái)襲造成的高層建筑物晃動(dòng)。由于海拔越高，風(fēng)速越快，受到的風(fēng)力強(qiáng)度也會(huì)更高。比如，地面風(fēng)速為5 米/秒時(shí)，百米高度風(fēng)速會(huì)增加到地面風(fēng)速的4 倍左右。因此，在大風(fēng)或臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，高層建筑物會(huì)受到非常強(qiáng)勁的空氣壓力，使其發(fā)生搖晃。實(shí)際上，只要風(fēng)速合適，高層建筑都有發(fā)生人體可感的晃動(dòng)可能。如果在高樓中安裝風(fēng)阻尼器，就能有效消耗風(fēng)力對(duì)建筑物沖擊的能量。一般，風(fēng)阻尼器會(huì)安裝在高樓的上端中間位置。

高層建筑的風(fēng)阻尼器有很多種，常見(jiàn)的風(fēng)阻尼器看起來(lái)就像是一個(gè)巨大的鐘擺，整套系統(tǒng)配備了傳感器，能在臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)檢測(cè)建筑物的搖晃程度，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制“大鐘擺”，使其向建筑物相反方向運(yùn)動(dòng)。這樣就可以降低高層建筑晃動(dòng)的幅度，消耗振動(dòng)能量，有效減少建筑物的風(fēng)致晃動(dòng)。

我國(guó)擁有全球最大的風(fēng)阻尼器，它安裝在臺(tái)北101 大廈的88 層至92 層樓之間，直徑達(dá)到5.5米，總重680 噸。同時(shí)，它也是全球唯一外露式風(fēng)阻尼器，常有游客專程前往觀看。臺(tái)灣四面環(huán)海，常受到臺(tái)風(fēng)侵襲，安裝風(fēng)阻尼器非常必要，當(dāng)遇到6 級(jí)及以上臺(tái)風(fēng)時(shí)，風(fēng)阻尼器隨之晃動(dòng)，減少了大廈的搖晃程度。

同樣臨海的上海，也常受到臺(tái)風(fēng)侵襲。上海浦東環(huán)球金融中心，在大廈90 層處安裝了兩臺(tái)重150 噸的風(fēng)阻尼器。由此在強(qiáng)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，大約能減少40%的加速度。這樣一來(lái)，就算當(dāng)時(shí)在建筑物內(nèi)也不會(huì)感受到明顯晃動(dòng)。

“卡門渦街”導(dǎo)致高層建筑形成共振

每一個(gè)結(jié)構(gòu)都有自己的固有頻率，每一個(gè)固有頻率都有與之對(duì)應(yīng)的振動(dòng)形態(tài)，高層建筑同樣如此。高層建筑一般情況下都是“細(xì)細(xì)長(zhǎng)長(zhǎng)”，類似一根插入地面的高桿，如果用這種簡(jiǎn)化模型，那么其固有頻率和振型，可以較為容易得到。但是，這種簡(jiǎn)化模型結(jié)果與真實(shí)結(jié)果存在差距。

高層建筑的低階固有頻率偏低。正如一些網(wǎng)友所言，根據(jù)視頻觀察，賽格大廈的此次振動(dòng)頻率約為1.5Hz，高層建筑的低階固有頻率差不多在這個(gè)數(shù)值附近。

世界是柔體的，任何材料在力的作用下都會(huì)發(fā)生變形。即便風(fēng)力不大，高層建筑樓頂都會(huì)發(fā)生一定位移，這是無(wú)法避免的。如果風(fēng)是恒力作用，那么產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的位移也是安全的。但是，風(fēng)不可能產(chǎn)生恒力。

風(fēng)由空氣產(chǎn)生，空氣流過(guò)樓體，會(huì)在尾部形成不對(duì)稱尾流，稱之為“卡門渦街”。這種不對(duì)稱的尾流，會(huì)在物體尾部左右產(chǎn)生不對(duì)稱壓差，形成周期性交替作用力，從而作用于樓體之上。如果這個(gè)交替作用力變化頻率，恰好等于或者接近高層建筑固有頻率，就會(huì)發(fā)生傳說(shuō)中的共振。在這種情況下，高層建筑晃動(dòng)會(huì)越來(lái)越大，直至倒塌。

雖說(shuō)共振比較危險(xiǎn)，但是可以被消除。高層建筑外形一經(jīng)確定，風(fēng)載引起的激振頻率便無(wú)法改變。那么,便可以從兩方面避免共振:一方面通過(guò)改變高層建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)改變其固有頻率;另一方面便是用上“減振神器”——阻尼器。

以一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來(lái)解釋原理：當(dāng)我們把一個(gè)來(lái)回?cái)[動(dòng)的球擺放入水中后，小球很快停下來(lái)，這個(gè)水就是一個(gè)阻尼器。高層建筑的阻尼器原理與之類似，都是通過(guò)消耗振動(dòng)能量降低振幅。實(shí)際上，有些高樓頂部安裝巨大泳池，也可以實(shí)現(xiàn)阻尼器的效果。

傳統(tǒng)阻尼器無(wú)法有效阻止建筑上下振動(dòng)

如前所述，賽格大廈晃動(dòng)當(dāng)天的3～5 級(jí)風(fēng)，并不是事發(fā)時(shí)獨(dú)有的，幾乎是每年每月都會(huì)發(fā)生。如果風(fēng)不是唯一的原因，溫度呢？溫度確實(shí)會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)，但同樣的溫度變化也非近期才有。所以，依然無(wú)法徹底解釋清楚。

正常情況下，風(fēng)載引起的振型，很難是上下形式振動(dòng)。一般在有限元分析的時(shí)候，會(huì)將底部完全固定，模態(tài)分析的結(jié)果不可能出現(xiàn)上下振動(dòng)的振型。由此可見(jiàn)，上下振動(dòng)必定是底部約束不再是剛性的。那么，到底是什么原因?qū)е碌撞考s束變化呢？

大樓底部約束的變化，是指地基受到的約束發(fā)生了變化。賽格大廈早在2000 年建成，當(dāng)時(shí)城市建設(shè)尚處于發(fā)展期，周邊基本沒(méi)有地下建筑。2004 年，深圳地鐵1 號(hào)線開(kāi)通；2016 年，地鐵7 號(hào)線開(kāi)通。如果賽格大廈地基約束發(fā)生變化，那么這兩條地鐵線的影響不可忽視。

查閱新聞時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)傳賽格大廈六七年前也同樣發(fā)生過(guò)類似晃動(dòng)，不過(guò)當(dāng)時(shí)是臺(tái)風(fēng)天氣。2016 年通車的7 號(hào)線，距今恰好是六七年。由此可見(jiàn)，也許由于地鐵建設(shè)，使大廈地基約束發(fā)生了變化，從而影響了大廈的固有頻率。

大廈地基附近的地下空間，讓其地基約束發(fā)生變化，從剛性約束（完全固定）變?yōu)樯舷路较蛴幸欢ǖ膹椥裕瑢?dǎo)致了此次上下振動(dòng)的形式。這種振動(dòng)有點(diǎn)類似于地震的影響，地震分P 波和S 波，也就是縱波和橫波，上下振動(dòng)就屬于縱波。由于高層建筑高度方向的尺寸遠(yuǎn)大于橫向，上下振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)本身的傷害較小。

正常的高層建筑，承受的風(fēng)載都是橫向的，其振動(dòng)也是橫向振動(dòng)。一些阻尼器，如前述那個(gè)“大鐘擺”，都是阻止橫向振動(dòng)。這種阻尼器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易，直接在樓頂建一大蓄水池就能起到阻尼器的作用。

阻尼器的原理是通過(guò)反向振動(dòng)消耗能量，上下振動(dòng)的方式，理論上也可以通過(guò)反向上下振動(dòng)來(lái)抵消能量。一些建筑在設(shè)計(jì)之初就配有隔振地基，就是通過(guò)上下的反向振動(dòng)來(lái)減弱地震影響。但是，這種結(jié)構(gòu)顯然不適合已經(jīng)建成的大廈。額外設(shè)計(jì)安裝反向上下振動(dòng)的阻尼器，由于重力影響而比較難以控制,并且重力在上下過(guò)程中會(huì)做功，需要的能量更大。所以，傳統(tǒng)橫向運(yùn)動(dòng)的阻尼器無(wú)法直接用在賽格大廈上，因其無(wú)法消耗上下振動(dòng)的能量，無(wú)法達(dá)到減振效果。