土木吧丨天线之祸？赛格广场振动原因及防治初步分析
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深圳赛格广场大楼振动原因及防治措施初步分
浙江大学建筑工程学院
黄铭枫 教授
一、背景
2021 年 5 月 18 日 13 时至 14 时，深圳华强北赛格广场大楼发生了明显的振动，如图 1（a）所示。根据市民反映，楼内震感较为强烈，在疏导下，市民纷纷离开大楼。13 时 50 分左右，深圳市应急管理局值班室反映，经查看和分析全市各地震检测台站数据，并无地震发生。
根据相关文献[1]，在 1999 年赛格广场大楼建成前发现楼顶天线出现了涡激振动。楼顶天线由 6 根直径为 1.1m 的主柱组成，如图 1（b）所示，其中中间两根柱子在顶部存在约 34m 的长悬臂。根据现场视频中的画面，这两根柱子的悬臂端出现了较为明显的振动，初步判断为涡激振动。为了保障人民群众的生命财产安全，需要对赛格广场大楼的振动原因进行分析并针对性的采取相应的防治措施避免类似情况再次发生。
二、赛格大楼振动的原因
2.1 现场的气象条件
根据深圳市气象局的数据，在 13 时至 14 时赛格广场站点的阵风风速（对应10m 高）约为 3m/s~6m/s，期间主要为西南风和西北风，如图 2 所示。
根据《建筑结构荷载规范》[2]，大城市中心地区不同高度的风速可以通过下式进行计算：
(1)
式中：z 为离地高度；vz 为离地高度 z 处的风速；v10 为当地 10m 高度处的风速。赛格广场大楼屋面标高 291.6m，顶部标高 353m，根据公式（1）计算可得事发时段大楼顶部的风速约为 8.7m/s~17.5m/s。
2.2 楼顶天线涡激振动的判断
圆柱体的涡激振动主要由尾流中的旋涡脱落引起。当雷诺数处于亚临界范围时，在来流作用下圆柱体尾部两侧会交替生成旋向相反、间距不变、周期性脱落的旋涡，即卡门涡街[3]。旋涡脱落会引起圆柱体横风向的振动，当旋涡脱落的主导频率与结构的某阶固有频率相接近时，就会产生横风向的涡激共振[4]。根据斯托罗哈数的定义，圆柱体涡激振动的临界起振风速 Uc 可以表示为：
(2)
式中：fN 为结构的固有频率；D 为钢管的直径；St 为斯托罗哈数，对于雷诺数在亚临界范围内的圆柱体可以近似取值 0.2。通过课题组自主研发的基于计算机视觉的测量技术[5]对网上流传的视频中赛格广场大楼楼顶天线的振动图像（如图 3 所示）进行识别，得到天线的水平位移和功率谱密度数据如图 4 所示。
将天线直径 1.1m、振动频率 2.25Hz 代入公式（2）可得天线的涡激振动临界起振风速约为 12.38m/s。事发时段现场风速约为 8.7m/s~17.5m/s，能够激发天线的涡激振动，结合实际视频可判断事发时段赛格广场大楼天线发生了涡激振动。由图 5 可知，这两根发生涡激振动的天线底部与赛格广场大楼的核心筒中的钢管柱相连，涡激共振力通过钢管柱传递至各个楼层，可能与主体结构的高阶模态产生共振，从而引起了居民较为强烈的震感。后续具体原因有待进一步分析。
三、振动的防治
3.1 十字型扰流板
涡激振动的控制策略可以分为主动控制和被动控制。相比于主动控制，被动控制成本更低、实用性更强，相应措施包括安装尾流分离盘、飘带、流线型整流罩、扰流板、螺旋线、穿孔罩、轴向肋条罩等。课题组针对输电塔钢管的涡激振动的防治曾开展一系列风洞试验研究，结果表明十字型扰流在圆柱体结构涡激振动控制方面具有较好的表现[6]，可以用于抑制赛格广场大楼天线的涡激振动。如图 6 所示，十字型扰流板由一对半圆形板组成，每片半圆形板的两侧和中部分别有与表面垂直的肋板。该扰流板可以通过螺栓进行固定，安装完成后扰流板的肋板会呈现出十字型。
图 6 十字型扰流板
3.2 安装布置方案
根据之前的研究[6]，十字型扰流板的尺寸数据的选择如表 1 所示。扰流板间的安装间距为 5D（D 为天线的直径），安装后四个肋板宜分别朝向东西南北，若与爬梯冲突可调整安装角度。安装完成后两根天线将如图 7 所示。
图 7 十字型扰流板安装示意图
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