深圳賽格大廈晃動原因查明 湯兆昇博士拆解「渦激共振」現象

撰文:彭琤琳
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今年5月,深圳賽格廣場大廈連續幾日出現晃動,最終於5月21日封樓,事件引發廣泛關注。兩個月後,官方於7月15日公布大廈晃動原因:桅杆風致渦激共振。專家認定結構安全,可以繼續使用,建議拆除桅杆解決大廈有感振動問題。

到底什麼是「桅杆風」?如何理解「渦激共振」?拆除桅杆將對大廈產生什麼影響?

5月18日,深圳市福田區華強北街道賽格大廈出現搖晃。(中新社)

據《深圳特區報》報道,專家組通過技術調查、環境和設備運行調查與測試,排除了地鐵運行、周邊工程施工或爆破、空調機組運行等影響因素。通過對風致振動與結構累積損傷的重點分析,專家組認為,桅杆風致渦激共振和大廈及桅杆動力特性改變的耦合,是引發賽格大廈有感振動的主要外因。

大廈使用20餘年後,局部樓層壓型鋼板組合樓板及桅杆連接點等累積損傷使結構頻率、阻尼比等動力特性發生改變,構成了大廈振動的主要內因。

什麼是「桅杆風」和「渦激共振」?

工程結構與抗震隔震減震控制專家、中國工程院院士周福霖接受《央視新聞》採訪時指出,從外部來看,大廈頂部安裝有兩根桅杆,在一定的風場作用下,風經過兩根桅杆之間會形成渦流,產生脫落,並產生水平力。當脫落的頻率和桅杆的自振頻率相同或接近時,就會產生桅杆和風及渦流的共振,桅杆就會帶動大樓產生旋轉與彎曲的振動。這就是「桅杆風」和「渦激共振」。

香港中文大學物理系高級講師湯兆昇博士。(資料圖片/龔慧攝)

香港中文大學物理系高級講師湯兆昇博士的解釋則更加簡明易懂,他在FB專頁「湯博士的物理空間」亦有就賽格大廈晃動事件講解「渦激共振」。

湯兆昇指出,從流體力學來看,當流體 (水流、空氣等) 經過一個障礙物 (例如一條魚) 時,如果速度夠高,便會在物體的兩邊交替地產生旋渦,這些旋渦離開障礙物的表面,與流體一同流走。也可以粗略理解為,當兩邊的旋渦交替脫離物體時,它們會在物體兩邊產生週期性的推力,類似反作用力,令物體兩邊振動,振動的方向與流體流動的方向垂直,這就是所謂「渦激振動」。

湯兆昇又舉例說明,在日常生活中,飛機經過空氣、魚在水中游動,甚至是燒香的煙經過障礙物,也可能產生這些成串的旋渦,其學名為「卡門渦街」(Von Kármán vortex street)。

渦激振動的流體力學電腦模擬圖:

至於為何會產生共振?湯兆昇稱,試想像固定在大廈頂部的一條桅杆被扭彎,然後釋放,桅杆便會在自己特定的頻率下振動,就像把彈弓扭彎後放手。如果桅杆的自然振動頻率,與上述在兩邊推動它的氣體旋渦的頻率一致,便會導致所謂共振,桅杆從旋渦吸收大量能量,產生劇烈振動。這就是「渦激共振」的意思。

不過湯兆昇強調,雖然「渦激振動」使大橋和建築物搖晃的事件在歷史上經常出現,但這涉及的是建築物本身受強風的影響。至於內媒引述專家組稱,賽格大廈的渦激共振是來自一根用作防雷及航標功能的桅杆,湯兆昇指,桅杆一般的質量很小,產生的共振為何能使整座大廈搖晃,實在很難想像。礙於沒有詳細的數據,未能作進一步探討。

拆除桅杆後將產生什麼影響?

針對賽格大廈的有感振動問題,專家組認為可以通過拆除桅杆來有效解決該問題,而桅杆原有的防雷、航標功能可在桅杆拆除後在樓頂重新佈設。

周福霖認為,賽格大廈的桅杆最主要的作用在於提升大廈的美觀度,要達到防雷作用不一定非要使用高桅杆。在拆除桅杆後也可重新製作避雷針以防雷。

周指出,桅杆是一個外部原因,而對內部原因還要繼續進行測定分析,才能決定是否還要採取一些措施。後續是否需要安裝阻尼器,則取決於後期大廈測定工作的結果。

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