土木吧丨深圳赛格大厦振动原因分析
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深圳赛格大厦晃动原因分析
王锁军
北京蓝图工程设计有限公司
（一）
深圳赛格大厦晃动引爆社会舆论，建筑结构设计圈内对原因也是众说纷纭，最近政府组织的权威专家检测分析大体结论是这样：屋顶桅杆在风流涡激作用下产生了振动，其自振频率与大楼自振频率接近故引起了大楼的晃动。
共振的概念高中生都知道，但什么是风速涡激即使结构设计师也未必说的清楚。
什么是涡激呢？看下图：
水流绕过障碍物时，将随着水流交叉产生两列反向的涡旋。产生涡旋的原因看下图示意：
两侧涡旋交替产生，故两侧水流对障碍物压力也是交替上下作用的，即产生对障碍物的横向作用力从而产生障碍物的上下摆动（风对建筑正面作用下产生了横向振动）。看下面的动画（注意，动画中的障碍物在涡旋的作用下产生了横向的振动，即使障碍物静止不动，涡旋照样产生，如上面草图）
这个涡旋初始并不是很明显，随着时间的增长，两侧水流的周期性的互相作用，会使涡旋越来越明显最终到稳定涡流状态。
有专家形象的比喻说，涡旋分完全分离型（对障碍物而言的作用力而言，分离后与障碍物无关了，但对后面的障碍物会有影响，比如城市大楼之间的互相影响），周期性再附着型（走的时侯搞你几下），再附着型三种（走回来再搞你）。
发现这个现象并进行了流体力学计算证明的是冯.卡门，科学家给这种现象起了个形象的名字叫卡门涡街。很多人不一定知道这个牛人，但他的学生你一定知道，叫钱学森和钱伟长。
流体遇到障碍物都会产生这种涡旋。比如河水通过礁石，云飞过山峰等：
不是任何时候都会产生涡旋，必须满足一定的条件，专业术语叫雷诺数范围，没有产生涡旋的叫层流，就是我们一般人理解的水流先分开再合流（这种理解很当然，连冯卡门最初也是这样理解的，直到他的学生反复试验才发现了涡旋现象），产生涡流的叫絮流。
雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。Re=ρvd/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为一特征长度，例如草图中的障碍物的直径。看这个定义可以知道是否出现涡流和流体流速、密度、粘度、障碍物的直径有一个综合的关系。这是流体力学的内容，很复杂我说不清楚。结构设计在计算高层建筑横向风振的影响时用到了这个雷诺数。
涡旋出现的频率或说是涡激作用的频率可以按下式估算：
风弦琴的原理就是根据不同的风速对不同直径的琴弦产生共振发出美妙的自然之音。
虎门大桥的振动上下波浪式的振动也和这个道理一样。五星红旗迎风飘扬也是风流激振的原理，风速越快，扑啦啦的声音越响，即涡激频率越高。
（二）
下面我们就可以分析深圳赛格大厦的振动了（数据均来自网络）。
赛格大厦约360米高，75层，一阶自振频率约0.17HZ, 而检测到的赛格大厦的振动频率大约是2HZ，最大的振幅（及加速度）恰好在35层、55层、60层，这是高阶振动频率，而不是一阶振动时的最大振幅在最高层。非专业的人不一定知道高阶振动，只知道像秋千那样的振动（秋千的摆动就是一阶的），建筑的振动的样子一般是以下各阶振动的组合，当外部的激励振幅和某一阶频率接近时，该阶振动就会凸显出来，而其它阶的振动就不明显了。
庞然大物的高楼被微风振动了起来，一定是共振，也就是说涡激的频率只有在2 HZ才可以。按上述的公式
计算，反算风速
米/s才可以引起共振，而当天是微风,450米/S风速超过龙卷风了，所以风直接引起结构的振动是不可能的。
是不是屋顶上的桅杆呢？
据网上数据，桅杆直径约1.3米，引起桅杆共振（风弦琴？只是太粗了，频率不够高，发不出美妙的高音），进而引起大楼的共振应为2HZ，反算风速应为
,这个风速在当天地面测量三级风，而300多米的高空风速变大到十多米完全有可能的。
这样就可以推测，当天城市高空风速约
米/S，造成了直径1.3米的桅杆产生了2HZ的共振，在长时间的作用下，桅杆激发了建筑2HZ的高阶自振频率的振动。见下图：
（三）
上述分析推理上似乎很严密，是比较有说服力的观点，也只能说是一种可能，还有待证实。赛格最初的分析有说是上下震颤，上面的推理是不能解释的。有资料证明韩国某大楼的上下震颤是来自人们健身长时间步调一致的上下运动频率刚好和楼板的自振频率相当引起的共振，也是有可能的，但和赛格的振动似乎不符。
也有专家怀疑是结构的抗侧力构件破坏会或节点失效引起的。我不能理解，因为结构构件从设计原理上不会无故突然断裂（无强震），即使失效也是进入塑性阶段，所以不会引起突然的弹力造成振动。如果个别构件的进入塑性造成结构刚度的变化造成了自振频率的改变，这个改变作为一个质量巨大的大楼来说也一定微乎其微，可以忽略。
其它设备比如地铁等运行可能造成结构的振动，但不应该引起人们如此大的不适的感受。有人质疑，赛格使用这多年了，为什么以前桅杆没有引起晃动呢？这个真不好解释，也许是偶然吧。
结构专家解释这种振动符合规范的限制，对结构安全没有影响，但对人们的心里的影响不可忽略，让普通大众相信专家的话而安心的在一个晃动的大楼上工作生活是一件不容易的事，超高层建筑结构正常使用时考虑人们心里感受的规范限制应该是一个新课题。
本文没有新的观点，只是各种资料的汇总，笔者作为结构工程师支持桅杆引起说，故汇总各种资料仅作科普之用。
参考资料：
李永乐老师视频讲解卡门涡街及虎门大桥振动原理。
超限结构群中各位专家的指导。
“四两拨千斤”—深圳赛格大厦风致振动解读 谢壮宁
网上公布的赛格大厦振动分析资料。
《建筑荷载设计规范》
2021年5月27日