风没多大,楼却晃得厉害,可能是这种好看的物理现象在作怪

来源:新浪科技综合 2021-05-28 11:11 责编: 原文链接:点击获取

来源:把科学带回家

5月18日,看似风平浪静的一天,深圳赛格大厦却出现明显晃动。这座建成于1999年的大楼已经见识过不少大风大浪,为什么会被不超过5级的风撼动?

赛格大厦 | 图源:Wikipedia

赛格大厦 | 图源:Wikipedia

虽然还未有定论,但目前的主流推测是风引发的共振。是什么“妖风”引发了共振?在我们身边不乏高层建筑,这种效应会不会导致高楼晃塌?

毕竟中学我们就学过军队齐步走振塌桥梁的案例——军队行进的频率恰好与桥梁固有频率一致,引发共振,导致桥梁大幅振荡而倒塌。这是1831年发生在英国布劳顿吊桥上的真实案例。

 布劳顿吊桥 | 图源:Wikipedia

 布劳顿吊桥 | 图源:Wikipedia

那么楼呢?

其实很多超高层建筑中的居民已经对大风天摇摆的高楼习惯。举最极端的例子——世界第一高楼哈利法塔,828米高的楼顶处晃动幅度可达2米

哈利法塔 | 图源:Wikipedia

哈利法塔 | 图源:Wikipedia

高处风大,出现较大幅度的晃动不奇怪。但实际上,风要晃动高楼并不需要有多强劲,只要形成一种特殊涡旋效应——涡旋脱落(vortex shedding)就足以使大楼为之颤抖。

风吹大楼形成的涡旋 | 图源:Vox

风吹大楼形成的涡旋 | 图源:Vox

涡旋,大家并不陌生,最常见的就是冲马桶时进入下水道的涡旋。而涡旋脱落产生的是一连串涡旋,这些涡旋呈周期性规律排列的现象被称为卡门涡街(Kármán vortex street)。

卡门涡街模拟图 | 图源:Wikipedia

卡门涡街模拟图 | 图源:Wikipedia

如果你观察过溪流中的石头,会发现有时水流过去后变得有些抖动。

空气也会如此。当流体(气流或水流)遇到障碍物时,它们没法从中间穿过去,就会挨着物体两侧绕开。

对于机翼那样的流线型物体,流体可以顺滑地“溜”过去,不激起波澜。

空气流过机翼示意图 | 图源:Wikipedia

空气流过机翼示意图 | 图源:Wikipedia

但更常见的情况是,障碍物会让流体发生扰动。当绕行流体的惯性力与粘滞力比值(雷诺数)恰好满足一定关系(通常大于90)时,就会在物体下游两侧 “脱落”出两列涡旋,而且是一侧顺时针、另一侧逆时针地交替出现。

气缸后的卡门涡街 | 图源:Wikipedia

气缸后的卡门涡街 | 图源:Wikipedia

这种涡旋交替分列两道的样子,让人联想到了道路两侧的街灯。又因为物理学家西奥多·冯·卡门(Theodore von Kármán)最先解释了这一现象,故得名“卡门涡街”。

自然界中不乏卡门涡街现象,例如下面这些:

 云团经过岛屿时形成的卡门涡街 | 图源:Wikipedia

 云团经过岛屿时形成的卡门涡街 | 图源:Wikipedia

云团流过山体时形成的卡门涡街 | 图源:Wikipedia

云团流过山体时形成的卡门涡街 | 图源:Wikipedia

你还可以在船只的尾迹中发现卡门涡街:

 图源:Lam, K。 M。, & Wei, C。 T。 (2010)

 图源:Lam, K。 M。, & Wei, C。 T。 (2010)

卡门涡街虽好看,但也容易惹祸。

当这一系列涡旋从障碍物两侧交替经过时,其两侧的瞬时压力交替改变,大气就会将物体往压力小的一侧来回推。这就好比一大群人蜂拥而至,而你却还站在原地,只能任两侧人潮对你推推搡搡。

光出现卡门涡街还不是破坏力最强的,最怕卡门涡街的频率刚好和障碍物的固有频率一致,发生涡激共振

每个物体都有自己的固有频率,比如拨动粗细不同的吉他弦,它们的振动频率不一样,这也决定了每根弦的音高不同。

卡门涡街的频率和流体速度,以及障碍物的迎面宽度有关。流体速度越大、物体迎面宽度越小,卡门涡街频率越大。而建筑物的结构复杂,不同部位的固有频率不同。当卡门涡街的频率刚好与某一固有频率合拍时,就会发生共振,加剧涡街带来的振动。

物体随涡旋振动模拟图 | 图源:Wikipedia

物体随涡旋振动模拟图 | 图源:Wikipedia

卡门涡街引发的振动在烟囱、冷却塔、塔楼、管道等高挑的圆柱形物体附近更明显。当它与物体发生共振时可以产生相当大的破坏力。

1965年,英国费里布里奇发电站100多米高的冷却塔接连倒塌,正是因为卡门涡街引发共振。

1965年费里布里奇发电站冷却塔倒塌 | 图源:Melcer, J。 (2017)

1965年费里布里奇发电站冷却塔倒塌 | 图源:Melcer, J。 (2017)

为此,一些烟囱、冷却塔顶安装上了螺旋形扇叶,阻碍卡门涡街形成。

不止是卡门涡街,还有大风带来的颤振(aeroelastic fluttering)也会威胁建筑物。最经典的例子是短命的美国塔科马吊桥,1940年才通车4个月的大桥借风势荡了下秋千,啪一下就没了。

1940年塔科马吊桥倒塌 | 图源:Wikipedia

1940年塔科马吊桥倒塌 | 图源:Wikipedia

这个案例过去还被写进了教科书,作为卡门涡街的范例。然而,后来的研究者发现,事故发生时的涡旋频率和吊桥固有频率并不满足共振条件,导致吊桥倒塌的更可能是高风速引发的颤振。

为了避免风给建筑物,尤其是高层建筑带来灾难性破坏,建筑设计师和工程师花了不少心思。

减轻振动最常用的方法是安装阻尼器,它的作用相当于汽车上的安全气囊,可以吸收缓冲一部分风或地震带来的振动冲击。

 台北101大楼中的阻尼器 | 图源:Wikipedia

 台北101大楼中的阻尼器 | 图源:Wikipedia

台北101大楼在90层左右的位置安装了一个730吨的金色大摆锤,这是一种调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)。

阻尼器在台北101大楼中的位置 | 图源:Wikipedia

阻尼器在台北101大楼中的位置 | 图源:Wikipedia

每当强风侵袭,楼开始有晃动倾向,液压系统便推动摆锤朝反方向晃动,以抵消部分对楼的振动。

 风往这边刮,摆锤就往另一边晃 | 图源:wiki.chssigma

 风往这边刮,摆锤就往另一边晃 | 图源:wiki.chssigma

很多高层建筑在外形和基本结构上已经重点考虑了风力的影响,即使出现一定幅度晃动也不会坍塌,安装阻尼器更多时候是为了住户的舒适度,以免引起恐慌。

例如哈利法塔由数个高度不一的筒状结构组合在一起,不规律的结构扰乱了气流,让它们无法有组织地形成规律涡旋。

还有一些大楼很有“绅士风度”地给风让道,在楼体上开洞。

上海国际金融中心 | 图源:Wikipedia

上海国际金融中心 | 图源:Wikipedia

赛格大厦采用的钢管混凝土结构——外层钢管,内层混凝土,理论上也是一种相当稳固的结构。楼体侧方受力时,外侧拉伸得最厉害,那里的钢管耐拉伸,可以抵抗弯折;而内层混凝土不耐拉伸,但垂直方向的抗压能力强,在内部起承重作用。

据专家推测,赛格大厦的这次晃动除了可能因为“逛了下卡门涡街”,地铁运行带来的震动和温差剧变导致的钢结构形变,以及抗侧力构件失效等因素,都可能助推了这场波澜。好在它还不至于造成像金刚大战哥斯拉那样,大楼倾塌的灾难。

在修建超高层建筑前,工程师必须充分考虑当地历年来的环境条件,对建筑模型进行风洞实验,确保大楼能挺过至少半个世纪的风雨。

尽管有时人算不如天算,也可能不够预算,但安全永远应该放在第一位。