问题

深圳赛格大厦振动原因系桅杆风致涡激共振,如何通俗地解释?后续该如何避免?

回答
深圳赛格大厦曾经发生过一场让人心惊胆颤的“抖动”,当时大家都在担心是不是楼要塌了。后来查明,罪魁祸首是它头顶上那个巨大的桅杆。这事儿说起来有点绕,咱们尽量讲得白话一些。

为啥它会抖?桅杆上的“风舞”

你可以想象一下,这个赛格大厦的桅杆就像一根又高又细的“棍子”,竖立在空中。风吹过来的时候,不是平平地吹,而是会绕着这个“棍子”打转,就像水流绕着石头一样。

当风以一定的速度吹过桅杆时,它会在桅杆的“背风面”产生一股一股的、像是小漩涡一样的气流,专业上叫“涡流”。这些涡流不是一下子就没了,而是会规律性地、一上一下地脱落下来。

关键就在这里:如果风的速度和桅杆的形状、长度正好“对上了”,这些涡流脱落的速度就会和桅杆本身的振动频率撞个正着!

这就好比你在用手拨动一根绳子,如果你拨的速度和绳子自己晃动的频率一样,绳子就会越晃越高,变成你熟悉的那种“共振”。

在赛格大厦桅杆这件事上,就是风产生的涡流“拨动”桅杆的频率,和桅杆自己想晃动的频率(它的固有频率)一样了。这样一来,一点点风就能引发桅杆巨大的、有规律的晃动。就像一个推秋千的孩子,正好在秋千荡起来最高的时候再轻轻推一把,秋千就会越荡越高一样。

这种因为风引起的、规律性的振动,就叫做“风致涡激共振”。它不是因为楼本身有什么问题,而是因为那个高高的桅杆和风在“跳一支危险的华尔兹”。

当时,这种共振导致的桅杆晃动,通过桅杆又传导到了整个大厦,所以整栋楼都感觉到了那种“晃悠悠”的震感。

那以后怎么才能不让它再抖了?

要解决这个问题,就得打破风和桅杆的“默契”,让它们不能好好地“跳舞”。方法有不少,主要思路就是“改变风绕着桅杆转动的规律”,或者“让桅杆自己不那么容易跟着晃”。

1. 给桅杆“削尖”或“穿件衣裳”:
改变形状: 最直接的方法就是改变桅杆的横截面形状。如果桅杆是圆形的,风绕着它转就容易形成规律的涡流。但如果我们给桅杆增加一些“突起”或“凹槽”,比如做成螺旋状或者带一些“鳍”的形状,就能打乱风流的规律性。想象一下,一个圆柱体被风吹更容易产生漩涡,但如果它表面有很多棱角或者是不规则的形状,风就会变得“混乱”很多,不容易形成那种有规律的“推力”。
加装阻尼装置: 就像给摇摇欲坠的东西绑上沙袋压住一样,可以在桅杆内部或外部安装特殊的阻尼器。这些装置就像“减震器”,可以吸收桅杆振动产生的能量,让它晃动幅度减小。有点像汽车的避震器,颠簸的路面也能让车里的人感觉更平稳。

2. 让桅杆“硬一点”或“软一点”(但要控制好度):
调整刚度和质量: 这是工程师们通过计算和模拟来完成的。可以调整桅杆的材料、厚度,让它的“硬度”(刚度)和“重量”(质量)发生变化。不同的刚度和质量会决定桅杆自己“想晃动”的频率是多少。工程师的目标就是让桅杆的固有频率,和可能出现的涡激共振频率“错开”,不让它们碰在一起。

3. 给风“找点事做”:
开槽或开孔: 在桅杆表面钻一些小孔或者开一些细长的槽,这些小孔或槽可以释放掉一些绕着桅杆形成涡流的能量,让涡流不再那么集中和规律,从而削弱共振的发生。这就像给一个想要发出响亮声音的喇叭吹气时,在喇叭口打几个洞,声音就不那么集中了。

4. “预警系统”和“风洞测试”:
风洞测试: 在设计阶段,工程师们会在专门的风洞里对桅杆模型进行测试,模拟各种风速和风向,看看会不会发生涡激共振,以及可能出现的振动幅度。这样就能提前发现问题,并进行设计优化。
监测系统: 在大厦建成后,会安装各种传感器来实时监测风速、风向以及大厦和桅杆的振动情况。一旦发现振动幅度超过了安全阈值,系统就会发出警报,并可能启动相应的减振措施。

总的来说,解决这个问题就是要从桅杆的“物理属性”(形状、材料、结构)和“受力环境”(风)入手,通过科学的设计和技术手段,让桅杆在各种风况下都能保持稳定,不再和风“跳危险的华尔兹”,确保大厦的安全。那次事件之后,相关的工程技术人员肯定对这类结构在风环境下的表现有了更深刻的认识和更严谨的处理方式。

网友意见

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深圳赛格大厦以前不振动,现在振动了,原因可能有两种:1. 建筑的整体或部分固有频率发生了改变;2. 建筑的阻尼减小了。显然赛格大厦并没有额外的安装风阻尼器(如果有,早报道了),因此可断定:原因为建筑的整体或部分固有频率发生改变。所以基本认同专家的判断:大厦及桅杆动力特性改变了。

从深圳赛格大厦的造型和内部结构上来看,作为高层建筑,既没有太多空气动力学的考虑,也没有安装风阻尼器。大厦的外形已经很难改了,不过风阻尼还是有可能安装一个的。我对台北101大楼做过一个模拟,合适的风阻尼器能有效地降低最大振幅:

不同摆长的风阻尼器防风模拟 https://www.zhihu.com/video/1399703164178726912

更多仿真的结果和模型细节见本人公众号文章(无需关注):

减少摩天大楼的摇摆和振动的方法有很多。首先,可以在设计大楼外形时纳入空气动力学的考虑。例如上海中心大厦利用不对称形体、锥形建筑轮廓和圆角设计使建筑风荷载减少了近 1/4;韩国首尔的乐天世界大厦,顶部楼层使用了一种斜交网络桁架结构来分散风力作用。

即使如此,如果受到强风的影响,高层建筑还是会不可避免地会晃动。

因此,上海中心大厦、广州塔等许多高层建筑还额外安装了称为“调谐质量阻尼器(Tuned mass damper, TMD)”的配重(图 7),俗称风阻尼器(下文简称为“阻尼器”)。

其中最为有名的是台北 101 大厦,其顶端悬挂一个重达 660 多吨的金属球形阻尼器。当建筑物在风的作用下晃动时,风阻尼器会像钟摆一样运动,以吸收建筑物的动能。并由摆球与建筑物之间的液压缸将动能转化为热量释放(图 10),因此建筑物的稳定性得以保持。

针对风阻尼器的抗振效果,已经有不少人做过演示实验。两实验中都可以明显看出,阻尼器可以有效降低主结构的晃动。

知道为什么女生走会扭,而男生走路稳了吧?

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我说句题外话,电子一条街的华强北已经在经历了2条地铁线的常年施工、电商的冲击、租金的连年上涨下苦不堪言。

大楼修复的工作就交给专家们吧,但这两个月的经营损失,就不是免租几个月可以解决的。

旧时代有言,一个华强北的柜台,后面就是一个工厂,一条供应链。

华强北的物业为何可以收那么贵,大家可以去深挖。

我只能说,希望某些3代,不要吃抹的那么干净,留一点给人民。

大家都掀桌子不玩儿时,这个游戏就没人玩下去了。

看到时候,赤脚的和穿鞋的,谁怕谁了。

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“深圳赛格大厦5.18为啥振动,谜底揭晓”

*不是风的振动和大楼的振动发生了共振

*也不是地铁的振动和大楼的振动发生了共振

*而是风导致了楼顶桅杆的振动,这个桅杆的振动和大楼的振动发生了共振。所以罪魁祸首是桅杆!

1,专家团队最高级别

一是组建由岳清瑞、周福霖、聂建国、陈政清、陈湘生5位工程院院士和勘察设计大师

二是由深圳市城市公共安全技术研究院作为总技术牵头单位,组织中冶建筑研究总院、深圳市房屋安全和建设工程质量检测鉴定中心。中国建筑科学研究院、广东省建筑科学研究院分别对有关方案和技术成果提供咨询意见,清华大学、广州大学、哈尔滨工业大学(深圳)、湖南大学、同济大学、深圳大学等16个科研团队提供技术支持,开展专业论证分析。

三是由原设计单位、第三方权威机构、专家团队,对安全论证和原因分析成果进行三重审核把关


2,为啥之前不振,最近振

正如我之前说的大厦的固有频率肯定是最近变了,所以之前没振最近才振。但是引起大厦固有频率的变化,不是因为地基,也不是因为钢管混凝土的主体框架,而是“局部楼层压型钢板组合楼板及桅杆连接点等累积损伤使结构固有频率变化”。局部楼层的组合楼板的损伤能引起整体结构固有频率比较大的变化,有点出乎我的意外。

3,桅杆

一般来说桅杆跟主体大楼刚性相连,桅杆是大楼的一部分。大楼自身的一部分不应该跟自身的另一部分相互引起共振。也就是说,正常情况下,桅杆不应该跟大楼的其他部分发生共振。报告说,桅杆跟大楼的连接点有损害,所以连接的方式可能由刚性已经变成了铰接。这时桅杆可以被看作是大楼的外部激振来源,不再是大楼的一部分。因此也就发生了,大楼桅杆跟大楼主体结构的共振。

4,如何处理?

拆除桅杆,振动就应该消失。现在最怕的就是桅杆拆除之后,哪天又开始振了,问题就复杂了。

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解决振动问题最怕找不到振动原因而瞎治,既然激振原因找到了,后续就可以针对此进行处理。目前看到的建议是拆掉屋顶桅杆,把激振源去掉,仅仅拆除这样的措施是不够的,就像专家组说的,还要修复累积损伤,而且要把累积损伤修复到位。

建筑一旦振动起来,会越来越容易振动,因为振动会把原本限制其振动的一些措施给击破了。如果这个建筑一开始就没有这个桅杆,建筑没有发生过大幅度振动,则限制其初始振动的措施还在,没有激振源,则楼房不容易发生振动。但发生了振动,已经破坏了一部分限制振动的措施,仅仅再去掉激振源是否够就要好好论证下了。

由于房子发生过大幅度振动,不仅会破坏掉本振型的防振限制措施,还有可能把其他振型的防振措施也给破坏了,破坏程度如何需要进行检测论证,例如可以在楼内增加其他激振源测试下,看这个楼是否容易发生振动。

因此后续的加固措施是个综合性的,就像中医把脉,不能头痛医头脚痛医脚按下葫芦浮起瓢,如果加固措施不充分,拆除了桅杆再发生二次其他振动,就太尴尬了。

目前看来,除了拆除激振源,最好还要增加阻尼器,增加建筑自身振动的难度。

有兴趣可以继续了解下篇介绍:

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桅杆共振,再加上杠杆力矩,将风能大量传递到楼体,影响了建筑物的鲁棒状态。这类问题主要是找能量源以及能量传递途径,就能很快的分析可能的原因。

奇怪的是这个桅杆应该加了好多年了,为何就这次发作了。网上有说因为上层的水箱的水放空了。

很多的整体结构的设计失误,就是忽略了杠杆的放大作用。不仅仅是建筑,目前火热的电毛驴、新能车都要考虑力矩对结构的要求。以前中国汽车噪音控制不行,车体共振贡献不小,现在都用止震贴改变共振频率,所以现在国产车的噪音也小很多了。

看来建筑行业还是在做事情的,至少能心安了。

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