赛格广场振动原因初步探讨

2021-06-07

2021  5  18  13 时至 14 时, 朋友圈突然爆出大量信息,反馈深圳华强北赛格广场大楼发生了明显的振动,在楼内的人员紧急疏散离开大楼。紧接着,深圳市应急管理局发布通告,证实了此事。

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随后,相关部门组织专家召开了紧急会议,并对赛格大厦进行了相关检测和持续监测,陆续发布报告,其内容主要汇总如下:
119日下午,广东省应急管理厅值班室发布的深圳市福田区华强北街道赛格广场大厦摇晃的情况报告报告表明,华强北赛格大厦突然发生摇晃,经省市专家研判初步认为:一是深圳赛格大厦系上下震颤而不是左右摆动;二是造成震颤的原因是多种因素耦合,主要是风的影响,还有地铁运行(两条地铁从楼下经过)和温度的影响(近两天气温升高,温差达8度,对钢结构影响大);三是经专家现场踏勘和会商研判,赛格大厦主体结构是安全的,内部结构坚固,各种附属设施完好。

2、之后发布的多日实时监测报告显示,赛格大厦的房屋沉降、倾斜率、加速度等数据正常,未超出相应标准要求。

3、自18日发生晃动后,19日、20日的午后均有媒体报道大厦晃动的消息。

4、连续多日,大厦晃动时,所在位置未有大风、未发生地震、也未见周边有会引起地基振动的地下施工(如地下爆破、隧道掘进、打桩等)。

但所有上述信息,都未能直接解读赛格大厦晃动的原因。

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图1办公室远眺赛格大厦

超高层建筑晃动,一般来说,是受到外部水平作用引起变形,这个外部水平作用一是风荷载、二是地震作用。所以,笔者第一时间查看了深圳天气、中国地震台网等网络媒体的即时信息,未见发现有大风、地震等信息发布。这就很奇怪了,没有这两个外部因素,赛格广场怎么会晃起来呢。随即,网上流传的一段视频显示,大厦顶部的两根天线,晃动的频率明显高于主楼这就使人自然而然的想到了“卡门涡街”。
卡门涡街是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到,在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡,经过非线性作用后,形成卡门涡街。如水流过桥墩,风吹过高塔、烟囱、电线等都会形成卡门涡街。出现涡街的尾流对物体产生周期变化的横向作用力,如激励频率与物体固有频率接近,可导致激烈的共振。


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图2卡门涡街
(图片来源于网络)


一般来说,旋涡脱落会引起圆柱体产生横风向的振动,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。
这个能很好的解释大厦顶部天线的晃动。但此时大厦为何产生的是上下震颤呢?
赛格大厦1996年动工,1999年9月完工,2000年全面落成。建筑总高353.8米,地上72层,其中裙房10层,地下4层。


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图3 赛格大厦主楼和楼顶天线
(图片来源于网络)

采用框架-核心筒结构形式,由钢管混凝土柱+筒体剪力墙+型钢梁的组合结构形成体系。

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图4 结构体系示意图
(图片来源于网络)


矩形核心筒由每边8根钢管混凝土柱和钢裙梁组成壁框式筒身。核心筒内在两个主轴方向各设4条劲性混凝土剪力墙,每层型钢骨架由24根型钢组合柱和54根型钢梁组成。


外框架为每边4根钢管混凝土柱及与核心筒柱相连的钢梁组成。

塔楼分别在19层、34层、49层、64层和屋顶层设置加强层。加强层在核心筒与外框柱之间每边设置4榀钢桁架,并在周边柱之间设周边桁架,形成了相对刚性的盘体。

塔楼天线位于建筑外框筒一侧,位置与外框筒柱对应。底部与外框筒柱直接相连。
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(图片来源于网络)

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图5 屋顶天线与主楼结构关系示意图

至此,我们可以大致得出大厦晃动的原
因:


1、在某个天气条件下(风速、气温、气压等)下,塔楼天线因卡门涡街产生横向往复振动,该振动频率大致为2赫兹左右;

2、卡门涡街出现时,除了常见的因共振产生的水平往复运动外,还有一个储能过程,即在某个时段,往复运动并不出现,这个时候其产生的能量往杆件底部积蓄,然后通过其他形式耗散出去。

3、设计资料显示,赛格大厦的第一水平振动周期为5.9s,一般来说,竖向振动周期约为水平振动周期的1/10,即0.5~0.6s,频率为1.7~2赫兹。这个竖向振动频率正好和天线横向频率大致相同。

4、大厦的结构体系是框筒结构,内筒为钢管柱加钢板混凝土剪力墙,外框筒为钢管混凝土柱,内外筒通过型钢梁连接。内筒竖向刚度大,外框柱竖向刚度小,框架梁与钢管柱的连接刚度相对较弱,基本为铰接连接。竖向振型位移最大位置在外框筒柱上。

5、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直接相连,涡激共振产生的能量直接传递至外框筒的钢管混凝土柱顶端,其频率与主体结构的竖向振动模态一致时,产生共振,且激励位置为振幅最大值位置,从而引起了结构强烈的上下震颤。楼层越高处柱竖向变形越大,由于钢框架梁约束弱,就带动整个楼板一起上下振动。从而引起人员不舒适。

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图6 屋顶天线与主楼结构振动示意图

上述是基于现有的设计资料并结合建筑结构概念设计理论的分析推论,实际建筑出现的问题可能还有很多因素的影响,尚待各方面实际检测和分析结果。