關注風雲之聲
提升思維層次
導讀
儘管有時人算不如天算，
也可能不夠預算，
但安全永遠應該放在第一位。
撰文 | Mirror
5月18日，看似風平浪靜的一天，深圳賽格大廈卻出現明顯晃動。這座建成於1999年的大樓已經見識過不少大風大浪，為什麼會被不超過5級的風撼動？
賽格大廈 | 圖源：
Wikipedia
雖然還未有定論，但目前的主流推測是風引發的
共振
。是什麼“妖風”引發了共振？在我們身邊不乏高層建築，這種效應會不會導致高樓晃塌？
畢竟中學我們就學過軍隊齊步走振塌橋樑的案例——軍隊行進的頻率恰好與橋樑固有頻率一致，引發共振，導致橋樑大幅振盪而倒塌。這是1831年發生在英國布勞頓吊橋上的
真實
案例。
布勞頓吊橋 | 圖源：Wikipedia
那麼樓呢？
其實很多超高層建築中的居民已經對大風天搖擺的高樓習以為常。舉最極端的例子——世界第一高樓哈利法塔，828米高的樓頂處
晃動幅度可達2米
。
哈利法塔 | 圖源：Wikipedia
高處風大，出現較大幅度的晃動不奇怪。但實際上，風要晃動高樓並不需要有多強勁，只要形成一種特殊渦旋效應——
渦旋脫落
（vortex shedding）
就足以使大樓為之顫抖。
風吹大樓形成的渦旋 | 圖源：Vox
渦旋，大家並不陌生，最常見的就是衝馬桶時進入下水道的渦旋。而
渦旋脫落產生的
是一連串渦旋，這些渦旋呈週期性規律排列的現象被稱為
卡門渦街
（Kármán vortex street）
。
卡門渦街模擬圖 | 圖源：Wikipedia
如果你觀察過溪流中的石頭，會發現有時水流過去後變得有些抖動。
空氣也會如此。當流體（氣流或水流）遇到障礙物時，它們沒法從中間穿過去，就會挨著物體兩側繞開。
對於機翼那樣的流線型物體，流體可以順滑地“溜”過去，不激起波瀾。
空氣
流過機翼示意圖 | 圖源：Wikipedia
但更常見的情況是，障礙物會讓流體發生擾動。當
繞行
流體的慣性力與粘滯力比值（雷諾數）恰好滿足一定關係（通常大於90）時，就會在物體下游兩側 “脫落”出兩列渦旋，而且是一側順時針、另一側逆時針地交替出現。
氣缸後的卡門渦街 | 圖源：Wikipedia
這種渦旋交替分列兩道的樣子，讓人聯想到了道路兩側的街燈。又因為物理學家
西奧多·馮·卡門
（Theodore von Kármán）
最先解釋了這一現象，故得名“卡門渦街”。
自然界中不乏卡門渦街現象，例如下面這些：
雲團經過島嶼時形成的卡門渦街 | 圖源：Wikipedia
雲團流過山體時形成的卡門渦街 | 圖源：Wikipedia
你還可以在船隻的尾跡中發現卡門渦街：
圖源：Lam， K。 M。， & Wei， C。 T。 （2010）
卡門渦街雖好看，但也容易惹禍。
當這一系列渦旋從障礙物兩側交替經過時，其兩側的瞬時壓力交替改變，大氣就會將物體往壓力小的一側來回推。這就好比一大群人蜂擁而至，而你卻還站在原地，只能任兩側人潮對你推推搡搡。
光出現卡門渦街還不是破壞力最強的，最怕卡門渦街的頻率剛好和障礙物的固有頻率一致，發生
渦激共振
。
每個物體都有自己的固有頻率，比如撥動粗細不同的吉他弦，它們的振動頻率不一樣，這也決定了每根弦的音高不同。
卡門渦街的頻率和流體速度，以及障礙物的迎面寬度有關。流體速度越大、物體迎面寬度越小，卡門渦街頻率越大。而建築物的結構複雜，不同部位的固有頻率不同。當卡門渦街的頻率剛好與某一固有頻率合拍時，就會發生共振，加劇渦街帶來的振動。
物體隨渦旋振動模擬圖 | 圖源：Wikipedia
卡門渦街引發的振動在煙囪、冷卻塔、塔樓、管道等高挑的圓柱形物體附近更明顯。當它與物體發生共振時可以產生相當大的破壞力。
1965年，英國費里布裡奇發電站100多米高的冷卻塔接連倒塌，正是因為卡門渦街引發共振。
1965年費里布裡奇發電站冷卻塔倒塌 | 圖源：Melcer， J。 （2017）
為此，一些煙囪、冷卻塔頂安裝上了螺旋形扇葉，阻礙卡門渦街形成。
不止是卡門渦街，還有大風帶來的
顫振
（aeroelastic fluttering）
也會威脅建築物。最經典的例子是短命的美國塔科馬吊橋，1940年才通車4個月的大橋借風勢蕩了下鞦韆，啪一下就沒了。
1940年塔科馬吊橋倒塌 | 圖源：
Wikipedia
這個案例過去還被寫進了教科書，作為卡門渦街的範例。然而，後來的研究者發現，事故發生時的渦旋頻率和吊橋固有頻率並不滿足共振條件，導致吊橋倒塌的更可能是高風速引發的顫振。
為了避免風給建築物，尤其是高層建築帶來災難性破壞，建築設計師和工程師花了不少心思。
減輕振動最常用的方法是安裝
阻尼器
，它的作用相當於汽車上的安全氣囊，可以吸收緩衝一部分風或地震帶來的振動衝擊。
臺北101大樓中的阻尼器 | 圖源：Wikipedia
臺北101大樓在90層左右的位置安裝了一個730噸的金色大擺錘，這是一種
調諧質量阻尼器
（tuned mass damper，TMD）
。
阻尼器在臺北101大樓中的位置 | 圖源：Wikiped
ia
每當強風侵襲，樓開始有晃動傾向，液壓系統便推動擺錘朝反方向晃動，以抵消部分對樓的振動。
風往這邊刮，擺錘就往另一邊晃 | 圖源：wiki。chssigma
很多高層建築在外形和基本結構上已經重點考慮了風力的影響，即使出現一定幅度晃動也不會坍塌，安裝阻尼器更多時候是為了住戶的舒適度，以免引起恐慌。
例如哈利法塔由數個高度不一的筒狀結構組合在一起，不規律的結構擾亂了氣流，讓它們無法有組織地形成規律渦旋。
還有一些大樓很有“紳士風度”地給風讓道，在樓體上開洞。
上海國際金融中心 | 圖源：Wikipedia
賽格大廈採用的
鋼管混凝土結構
——外層鋼管，內層混凝土，理論上也是一種相當穩固的結構。樓體側方受力時，外側拉伸得最厲害，那裡的鋼管耐拉伸，可以抵抗彎折；而內層混凝土不耐拉伸，但垂直方向的抗壓能力強，在內部起承重作用。
據專家推測，賽格大廈的這次晃動除了可能因為“逛了下卡門渦街
”
，地鐵執行帶來的震動和溫差劇變導致的鋼結構形變，以及抗側力構件失效等因素，都可能助推了這場波瀾。好在它還不至於造成像金剛大戰哥斯拉那樣，大樓傾塌的災難。
圖源：《金剛》1933年
在修建超高層建築前，工程師必須充分考慮當地歷年來的環境條件，對建築模型進行風洞實驗，確保大樓能挺過至少半個世紀的風雨。
儘管有時人算不如天算，
也可能不夠預算，
但安全永遠應該放在第一位。
