是谁晃动了大厦

文 《法人》特约撰稿 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，深圳赛格大厦突发晃动引发关注。随后几天，多家专业机构对大厦的振动、倾斜、沉降等情况进行实时监测，均未显示异常。目前，楼内人员已全部撤离，晃动原因仍在进一步核查。

赛格大厦地处广东省深圳市华强北，以拥有赛格电子市场而闻名全国。赛格广场曾因其独特的设计，在2001 年被评为“国家科学技术进步奖二等奖”。初步调查结果表明，此次大厦的晃动是由风载引起的，而且是上下振动。因此，一些专家建议大楼增设阻尼器，以降低振幅。那么，阻尼器是什么？它又有什么作用？

高层大厦的“定海神针”

专家的初步结论基本合理，但并没有解释赛格大厦上下振动的原因。事发当天，深圳地区的风并不大，约为3 级风，局部地区偶有5 级风。但即便是5 级风，也并不只有事发当天才出现。要知道，赛格大厦建成至今已有21 年之久。也有一些网传称，6 年前出现过类似晃动。可以说，初步调查结论并未对此进行解释。

在我国沿海地区，台风肆虐时吹断树木、破坏建筑物的新闻层出不穷，但那些高楼为什么没有受到影响呢？其实是因为高层建筑一般都配有风阻尼器。

在中国第一个安装风阻尼器的是台北的101 大厦

卡门涡街，气流从左向右

阻尼器是一个力学名词，它可对结构的变形进行衰减，从而实现振动能量的消耗，具有缓冲减振效果。阻尼器应用于高层建筑后，可以减小因风来袭造成的高层建筑物晃动。由于海拔越高，风速越快，受到的风力强度也会更高。比如，地面风速为5 米/秒时，百米高度风速会增加到地面风速的4 倍左右。因此，在大风或台风来袭时，高层建筑物会受到非常强劲的空气压力，使其发生摇晃。实际上，只要风速合适，高层建筑都有发生人体可感的晃动可能。如果在高楼中安装风阻尼器，就能有效消耗风力对建筑物冲击的能量。一般，风阻尼器会安装在高楼的上端中间位置。

高层建筑的风阻尼器有很多种，常见的风阻尼器看起来就像是一个巨大的钟摆，整套系统配备了传感器，能在台风来袭时检测建筑物的摇晃程度，通过计算机控制“大钟摆”，使其向建筑物相反方向运动。这样就可以降低高层建筑晃动的幅度，消耗振动能量，有效减少建筑物的风致晃动。

我国拥有全球最大的风阻尼器，它安装在台北101 大厦的88 层至92 层楼之间，直径达到5.5米，总重680 吨。同时，它也是全球唯一外露式风阻尼器，常有游客专程前往观看。台湾四面环海，常受到台风侵袭，安装风阻尼器非常必要，当遇到6 级及以上台风时，风阻尼器随之晃动，减少了大厦的摇晃程度。

同样临海的上海，也常受到台风侵袭。上海浦东环球金融中心，在大厦90 层处安装了两台重150 吨的风阻尼器。由此在强风来临时，大约能减少40%的加速度。这样一来，就算当时在建筑物内也不会感受到明显晃动。

“卡门涡街”导致高层建筑形成共振

每一个结构都有自己的固有频率，每一个固有频率都有与之对应的振动形态，高层建筑同样如此。高层建筑一般情况下都是“细细长长”，类似一根插入地面的高杆，如果用这种简化模型，那么其固有频率和振型，可以较为容易得到。但是，这种简化模型结果与真实结果存在差距。

高层建筑的低阶固有频率偏低。正如一些网友所言，根据视频观察，赛格大厦的此次振动频率约为1.5Hz，高层建筑的低阶固有频率差不多在这个数值附近。

世界是柔体的，任何材料在力的作用下都会发生变形。即便风力不大，高层建筑楼顶都会发生一定位移，这是无法避免的。如果风是恒力作用，那么产生一定范围内的位移也是安全的。但是，风不可能产生恒力。

风由空气产生，空气流过楼体，会在尾部形成不对称尾流，称之为“卡门涡街”。这种不对称的尾流，会在物体尾部左右产生不对称压差，形成周期性交替作用力，从而作用于楼体之上。如果这个交替作用力变化频率，恰好等于或者接近高层建筑固有频率，就会发生传说中的共振。在这种情况下，高层建筑晃动会越来越大，直至倒塌。

虽说共振比较危险，但是可以被消除。高层建筑外形一经确定，风载引起的激振频率便无法改变。那么,便可以从两方面避免共振:一方面通过改变高层建筑内部结构来改变其固有频率;另一方面便是用上“减振神器”——阻尼器。

以一个小实验来解释原理：当我们把一个来回摆动的球摆放入水中后，小球很快停下来，这个水就是一个阻尼器。高层建筑的阻尼器原理与之类似，都是通过消耗振动能量降低振幅。实际上，有些高楼顶部安装巨大泳池，也可以实现阻尼器的效果。

传统阻尼器无法有效阻止建筑上下振动

如前所述，赛格大厦晃动当天的3～5 级风，并不是事发时独有的，几乎是每年每月都会发生。如果风不是唯一的原因，温度呢？温度确实会影响钢结构，但同样的温度变化也非近期才有。所以，依然无法彻底解释清楚。

正常情况下，风载引起的振型，很难是上下形式振动。一般在有限元分析的时候，会将底部完全固定，模态分析的结果不可能出现上下振动的振型。由此可见，上下振动必定是底部约束不再是刚性的。那么，到底是什么原因导致底部约束变化呢？

大楼底部约束的变化，是指地基受到的约束发生了变化。赛格大厦早在2000 年建成，当时城市建设尚处于发展期，周边基本没有地下建筑。2004 年，深圳地铁1 号线开通；2016 年，地铁7 号线开通。如果赛格大厦地基约束发生变化，那么这两条地铁线的影响不可忽视。

查阅新闻时，笔者发现，网传赛格大厦六七年前也同样发生过类似晃动，不过当时是台风天气。2016 年通车的7 号线，距今恰好是六七年。由此可见，也许由于地铁建设，使大厦地基约束发生了变化，从而影响了大厦的固有频率。

大厦地基附近的地下空间，让其地基约束发生变化，从刚性约束（完全固定）变为上下方向有一定的弹性，导致了此次上下振动的形式。这种振动有点类似于地震的影响，地震分P 波和S 波，也就是纵波和横波，上下振动就属于纵波。由于高层建筑高度方向的尺寸远大于横向，上下振动对结构本身的伤害较小。

正常的高层建筑，承受的风载都是横向的，其振动也是横向振动。一些阻尼器，如前述那个“大钟摆”，都是阻止横向振动。这种阻尼器结构较为简单，实现起来相对容易，直接在楼顶建一大蓄水池就能起到阻尼器的作用。

阻尼器的原理是通过反向振动消耗能量，上下振动的方式，理论上也可以通过反向上下振动来抵消能量。一些建筑在设计之初就配有隔振地基，就是通过上下的反向振动来减弱地震影响。但是，这种结构显然不适合已经建成的大厦。额外设计安装反向上下振动的阻尼器，由于重力影响而比较难以控制,并且重力在上下过程中会做功，需要的能量更大。所以，传统横向运动的阻尼器无法直接用在赛格大厦上，因其无法消耗上下振动的能量，无法达到减振效果。