科普论坛|“四两拨千斤”—深圳赛格大厦风致振动解读
谢壮宁
华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室
近期，中国振动工程学会科普工作委员会邀请华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室谢壮宁教授对深圳赛格大厦风致振动进行了解读。
5月18日至5月21日，深圳赛格大厦连续三天出现较大的晃动情况，造成大厦晃动的原因到底是什么呢？基于现已公布的实测资料发现，其“罪魁祸首”很可能是大厦顶部的细长桅杆！
(视频来源于网络)
晃动的原因
一般来说，风吹过建筑结构会在结构两侧形成交替脱落的漩涡，且漩涡脱落的频率随风速的增大而增大，当漩涡脱落频率接近或达到建筑的固有频率时，建筑会发生较大幅度的涡激共振。
(图片来源于网络)
深圳赛格大厦总高度355.8m，地上75层，地下4层，大厦的基频为0.17Hz，其估算涡激共振风速至少应在50m/s以上，而5月18日在深圳市气象梯度塔附近采用激光雷达测速仪监测到的300m高空的最大风速仅为10~15m/s左右，同时考虑到该大厦的横截面为利于抗风的八边形结构，在此较低的风速下，应不会发生大幅振动才对，那么造成该大厦“异常”振动的原因到底是什么呢？
2021-5-18深圳地区1km高度范围内风速风向
哈尔滨工业大学（深圳）监测到的一个信息对判断大厦晃动的原因有重要启示，他们发现大楼发生比较强烈振动时的主要振动频率并不在基频0.17Hz，而是在高阶频率2Hz左右。一般情况下，建筑的风致振动是由基频主导的，而深圳赛格大厦的振动频率却是由高阶频率主导的，这说明该大厦的晃动很可能是外部一个振动频率接近该大厦高阶自振频率（2Hz）的振动源对该大厦的强迫振动造成的，而他们发现该大厦顶部的细长桅杆的主要频率之一正是在2Hz左右！另外，桅杆的直径为1.3m，在亚临界范围内的圆柱体斯托罗哈数St取0.2，基于风工程的基本理论，可以得到其涡激共振风速为13m/s左右，这与深圳地区高空实测风速也是一致的。
基于现有的资料分析，结合涡激共振的特征可以推断该大厦的大幅度振动是由天台的细长桅杆在较小的特定风速下发生涡激共振，且共振频率与大厦高阶频率较为接近而引起的。
(图片来源于网络)
需要注意的是，与基阶振型不同，建筑的高阶振型的大幅度振动并不仅仅发生在顶部，中间“反弯点”处的振动也会比较强烈，这也是5月19日部分不同楼层（35楼、55楼和60楼等）商户感受到较强振动的原因。
基阶振型
高阶振型
振动的影响
大厦结构的安全性是目前人们最为关心的重要问题之一，实测资料显示5月19日大厦发生大幅度振动时的最大加速度为4.5cm/s²左右，这种幅度的振动在以往一些强台风侵袭时超高层建筑的实测资料中并不少见。在强台风影响下，很多超高层建筑的风振加速度都曾达到甚至远远超过了这个数值，但这些超高建筑的主体结构也并未受到影响，因此，在此种幅度的振动情况下，这些超高层建筑的安全性应是不会有问题的。
近10年珠三角地区典型超高层建筑的实测结果
建筑的风振加速度是影响人们“不安全感”的重要指标。我国的JGJ 3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》规定住宅公寓和办公酒店类型建筑的风振加速度应分别小于15和25cm/s²，才能满足舒适度要求。该大厦的振动加速度仅为4.5cm/s²，是不是说满足舒适度要求呢？这种结论显然是片面且不符合实际情况的（人们明显感觉到振动）。首先，JGJ 3-2010规定的小于15和25cm/s²是针对10年重现期风压（在深圳地区对应高空风速约46m/s）下的加速度，而该大厦发生大幅度振动时的高空风速仅为15m/s左右，还远远没有达到深圳地区1年重现期的风速，严格上讲，应该按1年重现期的标准来衡量其舒适性。此外JGJ 3-2010对于建筑风振舒适度的标准是不考虑频率影响的，很显然，这也是不合理的。该大厦近期的实际振动频率为2Hz，远远大于一般情况下超高层建筑的风致振动频率。
下图所示为日本规范AIJ-GEH-2004规定的1年重现期风压下的舒适度限值，在2Hz振动频率下振动加速度达到4cm/s²时，会有超过90%(接近100%)的人对振动有感觉，且持续长时间振动会进一步加强大厦内人员的不适感。
1年重现期风压下的舒适度限值
注：日本建筑规范AIJ-GEH-2004将舒适度划分为5个级别，即H-10、H-30、H-50、H-70和H-90。其中H-10表示10%的人对此加速度有感，以此类推。
振动的解决办法
既然造成大厦振动的原因已经搞清楚了，且振动会影响人们的居住舒适度，那么如何才能解决大厦的这种振动呢？主要有三种方法：
01
安装阻尼器。这是风工程领域降低超高层建筑风振响应的常用方法，但是不论是调谐质量阻尼器还是调谐液体阻尼器都需要一定的安装空间，且需要根据建筑的具体物理属性进行设计，一般都是在建筑未建成前与建筑一起设计并安装的；在已建成的大厦上设计安装阻尼器可能需要改造建筑本身的空间结构，需耗费大量的人力物力，且阻尼器的设计制作安装也需要一定的时间，即便条件允许，所需的造价也会远比新建时的高；故安装阻尼器可能并不是一个最优的解决方式。
02
在桅杆上安装挡流板或者缠裹粗糙的螺旋线以扰乱或减弱有规律的漩涡脱落。这种方式较为简单快捷，但可能并不能完全杜绝桅杆涡激共振的发生，且对安装的附加构件本身的可靠性及与桅杆连接的牢固性有较高要求。
03
参考该建筑落成后发生桅杆振动时进行截短的方法，再将桅杆截掉一部分或者直接拆掉桅杆。将桅杆截掉一半，理论上会使桅杆的自振频率提高4倍，涡激共振风速提高到50m/s以上，但是在超强台风影响下该大厦顶部的高空风速还是有可能接近或达到该风速的，在允许的情况下，拆除桅杆可能是一个较为理想的解决方法。
结语
根据已有资料分析，可以基本判断大厦的晃动是由天台的两个细长桅杆在较低的特定风速下发生涡激共振所导致的，此种幅度的振动不会影响大厦的安全性，但会影响人们的居住舒适度。加阻尼器和在桅杆上安装挡流板或者缠裹粗糙的螺旋线的措施均可以在某种程度上削弱桅杆对主体结构的不良影响并消减其振动响应。如果桅杆没有实际的用途且条件允许，截短或完全拆除桅杆可能是解决本问题的较好方法。