是誰晃動了大廈

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，深圳賽格大廈突發晃動引發關注。隨后幾天，多家專業機構對大廈的振動、傾斜、沉降等情況進行實時監測，均未顯示異常。目前，樓內人員已全部撤離，晃動原因仍在進一步核查。

賽格大廈地處廣東省深圳市華強北，以擁有賽格電子市場而聞名全國。賽格廣場曾因其獨特的設計，在2001 年被評為“國家科學技術進步獎二等獎”。初步調查結果表明，此次大廈的晃動是由風載引起的，而且是上下振動。因此，一些專家建議大樓增設阻尼器，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”

專家的初步結論基本合理，但并沒有解釋賽格大廈上下振動的原因。事發當天，深圳地區的風并不大，約為3 級風，局部地區偶有5 級風。但即便是5 級風，也并不只有事發當天才出現。要知道，賽格大廈建成至今已有21 年之久。也有一些網傳稱，6 年前出現過類似晃動。可以說，初步調查結論并未對此進行解釋。

在我國沿海地區，臺風肆虐時吹斷樹木、破壞建筑物的新聞層出不窮，但那些高樓為什么沒有受到影響呢？其實是因為高層建筑一般都配有風阻尼器。

在中國第一個安裝風阻尼器的是臺北的101 大廈

卡門渦街，氣流從左向右

阻尼器是一個力學名詞，它可對結構的變形進行衰減，從而實現振動能量的消耗，具有緩沖減振效果。阻尼器應用于高層建筑后，可以減小因風來襲造成的高層建筑物晃動。由于海拔越高，風速越快，受到的風力強度也會更高。比如，地面風速為5 米/秒時，百米高度風速會增加到地面風速的4 倍左右。因此，在大風或臺風來襲時，高層建筑物會受到非常強勁的空氣壓力，使其發生搖晃。實際上，只要風速合適，高層建筑都有發生人體可感的晃動可能。如果在高樓中安裝風阻尼器，就能有效消耗風力對建筑物沖擊的能量。一般，風阻尼器會安裝在高樓的上端中間位置。

高層建筑的風阻尼器有很多種，常見的風阻尼器看起來就像是一個巨大的鐘擺，整套系統配備了傳感器，能在臺風來襲時檢測建筑物的搖晃程度，通過計算機控制“大鐘擺”，使其向建筑物相反方向運動。這樣就可以降低高層建筑晃動的幅度，消耗振動能量，有效減少建筑物的風致晃動。

我國擁有全球最大的風阻尼器，它安裝在臺北101 大廈的88 層至92 層樓之間，直徑達到5.5米，總重680 噸。同時，它也是全球唯一外露式風阻尼器，常有游客專程前往觀看。臺灣四面環海，常受到臺風侵襲，安裝風阻尼器非常必要，當遇到6 級及以上臺風時，風阻尼器隨之晃動，減少了大廈的搖晃程度。

同樣臨海的上海，也常受到臺風侵襲。上海浦東環球金融中心，在大廈90 層處安裝了兩臺重150 噸的風阻尼器。由此在強風來臨時，大約能減少40%的加速度。這樣一來，就算當時在建筑物內也不會感受到明顯晃動。

“卡門渦街”導致高層建筑形成共振

每一個結構都有自己的固有頻率，每一個固有頻率都有與之對應的振動形態，高層建筑同樣如此。高層建筑一般情況下都是“細細長長”，類似一根插入地面的高桿，如果用這種簡化模型，那么其固有頻率和振型，可以較為容易得到。但是，這種簡化模型結果與真實結果存在差距。

高層建筑的低階固有頻率偏低。正如一些網友所言，根據視頻觀察，賽格大廈的此次振動頻率約為1.5Hz，高層建筑的低階固有頻率差不多在這個數值附近。

世界是柔體的，任何材料在力的作用下都會發生變形。即便風力不大，高層建筑樓頂都會發生一定位移，這是無法避免的。如果風是恒力作用，那么產生一定范圍內的位移也是安全的。但是，風不可能產生恒力。

風由空氣產生，空氣流過樓體，會在尾部形成不對稱尾流，稱之為“卡門渦街”。這種不對稱的尾流，會在物體尾部左右產生不對稱壓差，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，就會發生傳說中的共振。在這種情況下，高層建筑晃動會越來越大，直至倒塌。

雖說共振比較危險，但是可以被消除。高層建筑外形一經確定，風載引起的激振頻率便無法改變。那么,便可以從兩方面避免共振:一方面通過改變高層建筑內部結構來改變其固有頻率;另一方面便是用上“減振神器”——阻尼器。

以一個小實驗來解釋原理：當我們把一個來回擺動的球擺放入水中后，小球很快停下來，這個水就是一個阻尼器。高層建筑的阻尼器原理與之類似，都是通過消耗振動能量降低振幅。實際上，有些高樓頂部安裝巨大泳池，也可以實現阻尼器的效果。

傳統阻尼器無法有效阻止建筑上下振動

如前所述，賽格大廈晃動當天的3～5 級風，并不是事發時獨有的，幾乎是每年每月都會發生。如果風不是唯一的原因，溫度呢？溫度確實會影響鋼結構，但同樣的溫度變化也非近期才有。所以，依然無法徹底解釋清楚。

正常情況下，風載引起的振型，很難是上下形式振動。一般在有限元分析的時候，會將底部完全固定，模態分析的結果不可能出現上下振動的振型。由此可見，上下振動必定是底部約束不再是剛性的。那么，到底是什么原因導致底部約束變化呢？

大樓底部約束的變化，是指地基受到的約束發生了變化。賽格大廈早在2000 年建成，當時城市建設尚處于發展期，周邊基本沒有地下建筑。2004 年，深圳地鐵1 號線開通；2016 年，地鐵7 號線開通。如果賽格大廈地基約束發生變化，那么這兩條地鐵線的影響不可忽視。

查閱新聞時，筆者發現，網傳賽格大廈六七年前也同樣發生過類似晃動，不過當時是臺風天氣。2016 年通車的7 號線，距今恰好是六七年。由此可見，也許由于地鐵建設，使大廈地基約束發生了變化，從而影響了大廈的固有頻率。

大廈地基附近的地下空間，讓其地基約束發生變化，從剛性約束（完全固定）變為上下方向有一定的彈性，導致了此次上下振動的形式。這種振動有點類似于地震的影響，地震分P 波和S 波，也就是縱波和橫波，上下振動就屬于縱波。由于高層建筑高度方向的尺寸遠大于橫向，上下振動對結構本身的傷害較小。

正常的高層建筑，承受的風載都是橫向的，其振動也是橫向振動。一些阻尼器，如前述那個“大鐘擺”，都是阻止橫向振動。這種阻尼器結構較為簡單，實現起來相對容易，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反向振動消耗能量，上下振動的方式，理論上也可以通過反向上下振動來抵消能量。一些建筑在設計之初就配有隔振地基，就是通過上下的反向振動來減弱地震影響。但是，這種結構顯然不適合已經建成的大廈。額外設計安裝反向上下振動的阻尼器，由于重力影響而比較難以控制,并且重力在上下過程中會做功，需要的能量更大。所以，傳統橫向運動的阻尼器無法直接用在賽格大廈上，因其無法消耗上下振動的能量，無法達到減振效果。