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filecoin fla(www.ipfs8.vip):风没多大,楼却晃得厉害,可能是这种悦目的物理征象在作怪

admin2021-06-0168

撰文 | Mirror

5月18日,看似海不扬波的一天,深圳赛格大厦却泛起显著晃动。这座建成于1999年的大楼已经见识过不少大风大浪,为什么会被不跨越5级的风撼动?

赛格大厦 | 图源:Wikipedia

虽然还未有定论,但现在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修建,这种效应会不会导致高楼晃塌?

究竟中学我们就学过军队齐步走振塌桥梁的案例――军队行进的频率正好与桥梁固有频率一致,引发共振,导致桥梁大幅振荡而坍毁。这是1831年发生在英国布劳累吊桥上的真实案例。

布劳累吊桥 | 图源:Wikipedia

那么楼呢?

着实许多超高层修建中的住民已经对大风天摇晃的高楼习以为常。举最极端的例子――天下第一高楼哈利法塔,828米高的楼顶处晃动幅度可达2米

哈利法塔 | 图源:Wikipedia

高处风大,泛起较大幅度的晃动不新鲜。但现实上,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)就足以使大楼为之哆嗦。

风吹大楼形成的涡旋 | 图源:Vox

涡旋,人人并不生疏,最常见的就是冲马桶时进入下水道的涡旋。而涡旋脱落发生的是一连串涡旋,这些涡旋呈周期性纪律排列的征象被称为卡门涡街(Kármán vortex street)。

卡门涡街模拟图 | 图源:Wikipedia

若是你考察过溪流中的石头,会发现有时水流已往后变得有些发抖。

空气也会云云。当流体(气流或水流)遇到障碍物时,它们没法从中央穿已往,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”已往,不激起波涛。

空气流过机翼示意图 | 图源:Wikipedia

但更常见的情形是,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)正好知足一定关系(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泛起。

气缸后的卡门涡街 | 图源:Wikipedia

这种涡旋交替排列两道的样子,让人遐想到了蹊径两侧的街灯。又由于物理学家西奥多・冯・卡门(Theodore von Kármán)最先注释了这一征象,故得名“卡门涡街”。

自然界中不乏卡门涡街征象,例如下面这些:

云团经由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

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)

卡门涡街虽悦目,但也容易肇事。

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当这一系列涡旋从障碍物两侧交替经由时,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往返推。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。

光泛起卡门涡街还不是损坏力最强的,最怕卡门涡街的频率正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,好比拨动粗细差其余吉他弦,它们的振动频率纷歧样,这也决议了每根弦的音高差异。

卡门涡街的频率和流体速率,以及障碍物的迎面宽度有关。流体速率越大、物体迎面宽度越小,卡门涡街频率越大。而修建物的结构庞大,差异部位的固有频率差异。当卡门涡街的频率正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

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四周更显著。当它与物体发生共振时可以发生相当大的损坏力。

1965年,英国费里布里奇发电站100多米高的冷却塔接连坍毁,正是由于卡门涡街引发共振。

1965年费里布里奇发电站冷却塔坍毁 | 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,尚有大风带来的颤振(aeroelastic fluttering)也会威胁修建物。最经典的例子是夭折的美国塔科马吊桥,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年塔科马吊桥坍毁 | 图源:Wikipedia

这个案例已往还被写进了教科书,作为卡门涡街的类型。然而,厥后的研究者发现,事故发生时的涡旋频率和吊桥固有频率并不知足共振条件,导致吊桥坍毁的更可能是高风速引发的颤振。

为了制止风给修建物,尤其是高层修建带来灾难性损坏,修建设计师和工程师花了不少心思。

减轻振动最常用的方式是安装阻尼器,它的作用相当于汽车上的平安气囊,可以吸收缓冲一部门风或地震带来的振动打击。

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

每当强风侵袭,楼最先有晃动倾向,液压系统便推动摆锤朝反偏向晃动,以抵消部门对楼的振动。

风往这边刮,摆锤就往另一边晃 | 图源:wiki.chssigma

许多高层修建在形状和基本结构上已经重点思量了风力的影响,纵然泛起一定幅度晃动也不会坍塌,安装阻尼器更多时刻是为了住户的恬静度,以免引起恐慌。

例如哈利法塔由数个高度纷歧的筒状结构组合在一起,不纪律的结构扰乱了气流,让它们无法有组织地形陋习律涡旋。

尚有一些大楼很有“绅士风度”地给风让道,在楼体上开洞。

上海国际金融中央 | 图源:Wikipedia

赛格大厦接纳的钢管混凝土结构――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 *** 弯折;而内层混凝土不耐拉伸,但垂直偏向的抗压能力强,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由于“逛了下卡门涡街”,地铁运行带来的震惊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涛。幸亏它还不至于造成像金刚大战哥斯拉那样,大楼倾塌的灾难。

图源:《金刚》1933年

在修建超高层修建前,工程师必须充实思量当地历年来的环境条件,对修建模子举行风洞实验,确保大楼能挺过至少半个世纪的风雨。

只管有时人算不如天算,也可能不够预算,但平安永远应该放在第一位。

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