高樓一有風(fēng)就會晃，為何我們感覺不到

1929年，美國的一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即使只有微風(fēng)，在40多層樓上室內(nèi)的一些職員也能感受到樓房在晃動，甚至可能出現(xiàn)類似暈船的癥狀。美國結(jié)構(gòu)工程師大衛(wèi)·庫什曼·科伊爾發(fā)明了一款可攜帶的水平擺式地震儀。他挑了一些刮風(fēng)天，把這款設(shè)備帶到紐約一棟棟高樓的樓頂上。

科伊爾發(fā)現(xiàn)，面對吹來的風(fēng)，每棟高樓的表現(xiàn)都有所不同。高樓可能每分鐘都要“哆嗦”40下，頻次少一點的也要8次。這似乎成了工程界的“秘密”——隨著樓房變得越來越高，越來越瘦，它們也越容易被風(fēng)晃起來。

在持續(xù)風(fēng)力的作用下，高樓會偏離平衡位置而做受迫振動。而且，對風(fēng)來說，高樓也是個障礙，所以會選擇繞道而行，從樓的兩邊繞過去。這時，風(fēng)會在樓的后方形成渦旋并脫落，被稱作渦旋脫落。此外，風(fēng)繞過的同時產(chǎn)生壓力差，進而產(chǎn)生吸力，將樓房吸過來。這又會反過來影響樓房周圍的流場，如此循環(huán)往復(fù)便使樓房來回晃了起來。當(dāng)渦旋脫落的頻率與樓房固有頻率相當(dāng)時，就會產(chǎn)生共振，這在工程學(xué)上叫作渦激振動。

不只是強風(fēng)才能造成破壞，速度較低的風(fēng)（頻率較低）反而更容易引發(fā)高樓的渦激振動，例如，2021年深圳賽格大廈發(fā)生的明顯晃動就主要是由渦激振動引起的。

工程師把這個“秘密”放在心里，但在設(shè)計時，他們不僅在思考如何讓高樓抵抗較高的風(fēng)荷載，還在尋找與風(fēng)“共存”的方式。在此前提下，更重要的是，工程師還需要通過設(shè)計“瞞”住室內(nèi)的人，讓他們感覺不到樓房的晃動，即使晃動幾乎一直都在發(fā)生。

事實上，人類很難感知速度，例如，在勻速行駛的汽車或火車上，如果沒有參照物，我們幾乎感覺不到自己在前進。不過，我們對加速度卻格外敏感，比如，突然剎車和飛機降落時，速度的變化讓身體立即做出反應(yīng)而被切實感受到。工程師想知道的是，高層上的人對加速度究竟有多么敏感。

經(jīng)過訓(xùn)練的戰(zhàn)斗機飛行員有時需要承受4個重力加速度，而100層高樓的振動加速度則只有重力加速度的百分之一，這對大多數(shù)人而言是難以被感知到的。但相比于測試樓房的振動加速度，我們更難明確不同的人對加速度的敏感性和承受力。

科學(xué)家認為最敏感的人可能會在0.03到0.04個重力加速度時感知到樓房的晃動，并在0.1到0.2個重力加速度時感到不安。在美國，過去30年間，工程標準指出，在每十年一遇的颶風(fēng)面前，摩天大樓（住房用）最高層的晃動頻率不能超過0.15到0.18個重力加速度。這時候，工程師可能會用到阻尼器來抵消樓房的振動，或改變樓房的外形，例如上海中心大廈螺旋上升的結(jié)構(gòu)，以及上海環(huán)球金融中心上方特意開出的洞。