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75层深圳赛格大厦摇晃引15000人撤离,真是5级风惹祸?

2021年5月18日中午12点31分,深圳华强北赛格大厦如往常一样忙碌,突然,位于高层办公室里的人感到大楼在摇晃,摆放文件和花盆的架子摆来摆去,人有眩晕的感觉。紧接着,大楼管理处通过应急广播通知所有人撤离,没过多久,15000人全都逃出了大楼,有人甚至跑丢了鞋子。

与此同时,在大楼外边的人拍到了赛格大厦顶端避雷器剧烈摇动的画面,显示这栋355.8米高的大楼确实发生了晃动。一时间流言四起,有说地震的,有说地基下沉的,有说大楼建筑质量有问题的,反正说啥的都有。

楼内物品晃的厉害

值得注意的是,5月18日中午在深圳和周边地区并没有发生地震,气象台也称福田区赛格大厦附近的风速大约只有5级左右,周边地区并没有地铁或其它地下工程施工。赛格大厦摇晃的原因一时间扑朔迷离。

赛格摇晃,但没这么夸张

深圳是个高楼林立的沿海城市,每年都会刮几次大风,有时候台风直接从深圳登陆,也没听说过哪栋超高层建筑被台风吹倒,为什么小小5级风就能把赛格大厦吹得左右摇摆呢?“专家的话不可信”,有人如此说。

风会产生涡流

但是如果你学过一点流体力学,就能明白并不只有狂风才能撼动大厦,有时候即便风不大,只要频率恰好对上了,楼也能被剧烈摇动起来,与之前虎门大桥桥面起伏晃动的原因类似,这种现象被称为涡振。

虎门大桥的涡振现象

涡振又叫涡旋振动或涡激振动,是流体力学里常见的一种现象。我们周围的空气是流体,当风吹过物体时,它不仅在物体的迎风面产生压力,还会在侧面和背风面产生涡流,这种涡流造成不稳定的低压区又会对物体产生拖曳力,这个拖曳力导致周期性变化就是涡振。

涡振是一种流体力学现象

每一个物体都有它固定的振动频率,如果涡振的频率与物体自身频率不一致,就不会产生共振;而要是涡振频率与物体振动频率刚好一样,或者二者呈倍数关系,就可能发生共振现象,物体振动的幅度会越来越大。

由涡振引发共振

低层的楼房不容易出现共振,超高层建筑由于整体上比较细长并且更有弹性,因此在它的上端受到侧向推力时会发生“鞭稍效应”。超高层建筑顶端在风的作用下晃动幅度可以超过1米,楼内的人有可能产生晕车的感觉。

为了克服超高层建筑因为涡振产生的共振现象,有些大楼在建设的时候会在楼顶加装阻尼装置,这个装置通常称为“调谐质量阻尼器(TMD)”,请不要误会,它的英文缩写就是这三个字母。阻尼器通常是很大很重的东西,一些著名的大厦会将它做成艺术品模样,当成一个观光景点供人参观,比如上海中心和台北101大厦;也有的不对外公开,比如哈利法塔。

上海中心与台北101顶部的阻尼器

大多数高楼的阻尼器没这么艺术,它就是楼顶一两个装在滑动平台上的重块,只要能起到平衡楼体摇动的作用就可以了。

那么调谐质量阻尼器的原理是怎样的,它为什么能抑制楼房晃动呢?我们先看看下面这个小男孩做的实验:

阻尼器的小实验

桌面黄色的架子相当于楼房,当男孩来回晃动桌面时,左边的架子摆得厉害,而右边那个顶端悬挂了重物的架子就稳当得多。

所有有质量的物体都会保持它原有的惯性。当大楼受到风涡流产生晃动时,楼顶的阻尼器会倾向于保持它原来的位置,于是向大楼施加一个相反方向的力,这个力相对于楼房来说尽管不很大,但它的力臂很长,因此可以起到平衡楼体倾斜的作用;同时由于阻尼器的存在,大楼自身的振动频率由固定频率变成了变化频率,因此不容易产生共振。

TMD的力学原理

有朋友说赛格大厦1996年动工兴建,1999年建成,由于时间比较早,它可能没有安装TMD。我也没有查到这方面的资料。但鉴于赛格大厦在建时是深圳第二高的建筑,并且是全球最高的钢管混凝土建筑,相信设计者最初应做过大量包括抗震、抗风以及涡振动在内的一系列力学试验,二十多年来这是第一次报告大楼摇晃,并且相关建筑专家已经确认了大楼本身的结构以及附近地基没有出现问题。

楼房阻尼器并非只有悬挂大铁球这一种方式,实际上我们许多高层建筑楼顶的大水箱也能起到一些阻尼作用。

楼顶水箱也能充当阻尼器

赛格大厦的某些楼层应该有类似的消防应急水箱,只不过由于某种巧合原因,水箱并没有完全起到阻尼作用,因此引发了巨大恐慌。

需要注意的是,调谐质量阻尼器并不是万能的,通常它会被调整到适合这栋大楼的特定频率以有效工作,但大楼在上百年的生命周期内可能会碰到某种特定的风速或者湍流,由此造成的频率变化超出TMD可以控制的范围,大楼依然有可能发生晃动。