来源:岩土沿途Geotech
作者:Maxim Li
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撤离
5月18日中午,仍在午休的人们察觉到了异常。
很多人感到赛格大厦正在晃动,甚至茶壶里的水也不平静。
茶壶里的水在晃动
来不及反应,众人立即往楼下撤离。当时大楼电梯已经停运,不少人只能从楼梯间急匆匆地往下跑。
00:25
人们紧急撤离大厦
不知道是因为拍摄者紧张抑或确有其事,抬头望向大楼,只见大楼在蓝天微风中微微摆动。
赛格大厦在微微摆动
不久后,深圳官方也证实了事件的发生。
深圳官方微博发布消息
虽然大厦仅仅晃动了几分钟,但在事件发生2小时后,仍有不少市民聚集在大厦的附近观察。一时间,大厦晃动的原因众说纷纭。
不少市民在路边观察
综合网上所讨论,对于大楼为何晃动的观点主要分为三个:地震说,风振说以及矿机说。以下我们从大楼的结构说起,分别对三个观点成立的可能性进行分析。
CFST体系
华强北赛格大厦竣工于21世纪之初,高度超过300m(地上72层),至今已有超过20年的历史。即使放在今天,它仍然是一座无法被忽视的超高层建筑。
赛格大厦
在当年,它更是以革新性的钢管混凝土柱体系(Concrete-Filled Steel Tubular System),成为当时世界上同类型结构的最高建筑物。
赛格大厦的外层框架柱采用了钢管混凝土结构,即把混凝土灌入钢管中并捣实,相比起常规的钢筋混凝土结构,新的体系可以节省出更多的可利用面积,建筑净空也有所提高。
钢管混凝土柱(左)与钢筋混凝土柱(右)
大厦中心的电梯井则采用剪力墙核心筒,通过横向的钢梁与外围钢管混凝土柱相连,共同形成大厦的主骨架。
赛格大厦结构体系
外围的钢管混凝土柱
振动
即使没有外界的干扰,每个弹性体都会有一个振动的频率,是其自身固有的属性,称为自振频率(Natural Vibration Frequency)。物体的每一次往返运动,称为一次自振周期。如下面小球完成一次自振周期的时间约为1秒。
小球的自振周期
弹性体根据其自身属性的不同,两两之间的周期往往并不一致。我们现在将多个小球用不同长度的绳挂起来,可以发现绳子越长的小球,完成一次自振周期的用时越长。
绳子越长,自振周期越大
建筑物也不例外。随着高度的增加,建筑物摆动时的自振周期也会变得越来越大。
建筑物的自振周期随着高度增加
对于高度超过300m的赛格大厦而言,其往返摆动一次的周期为7~10秒。
在物体振动时,以相近的频率施加外力,那物体的振动将越来越大,称为共振。大家在玩秋千时,如果推拉节奏适当,会发现即使不怎么用力,也可以令到秋千荡得越来越高。
秋千与频率的关系
究竟什么原因会令大厦出现共振现象?
地震说
在世界历次地震中,确实有建筑物在地震波的作用下产生共振,并受到了比预想大的损害。然而,综合事件发生后的多条线索,赛格大厦因为地震而晃动的可能性很低。
1.事发当天,深圳市各地震监测台并未监测到有地震发生。此条已被深圳官方所证实。
并未监测到有地震发生
2.除了赛格大厦,其他建筑并没有受到晃动的报告。地震是一视同仁的,并不会单独选择某栋建筑物进行破坏。同时,赛格大厦周边的地面亦未见有明显损害。
地面未见开裂情况
3.大厦发现晃动的当事人称与地震的晃动感觉不一样。
无论如何,地震说并不成立。
风振说
除了地震能令建筑物晃动之外,风也可以,尤其是对于超高层建筑。
风对大厦的影响不可忽视
大家也许会说,当天在现场似乎也没感到风有多大啊,相反地,天气还有点闷热。但是,在地面上的感受并不能代替整栋大楼。
因为风速并不是恒定值,而是随着高度的增加,逐渐变大。
随着高度增加,风速逐渐变大
风速变大后,建筑物表面受到的风压也会相应变大。建筑物表面受到风压后,会出现压力差,分别对其产生压力和吸力,并令建筑物出现摇动。
风的作用引起压力与吸力
建筑物的高度越大,受到风的影响将越明显。因此,超高层建筑物都要进行详细的抗风设计,尽可能降低风力对建筑物的影响。
一是从建筑物的平面外形入手,改变风力吹向建筑物时的作用轨迹。赛格大厦正是用了下图中的削角化方式进行处理,将建筑物外形从矩形变为了八边形。
赛格大厦采用了削角化处理
二是改变建筑物的竖向外形,将令建筑物从下至上逐渐缩减体积。高度超过800m的哈里发塔是其中的典型。
哈里发塔
在建筑物进行抗风计算时,为了便于分析,我们一般将风力等效为恒定的外力加载在建筑物外表面。然而,现实中却很少出现稳定的风,更多遭遇的是时大时小的阵风(Wind Gust)。
阵风风速变化图
如果阵风风力变化的周期与建筑物的自振周期相接近,就很可能会引起上述的共振现象,令到建筑物摆动的幅度变大。
阵风可引起建筑物的共振
阵风与建筑物的相互作用非常复杂,如果想进一步分析两者之间的关系,一般要建立建筑物模型,进行风洞试验,模拟建筑物现实中遭遇阵风的反应。
模型风洞试验
赛格大厦建于20年前。在当时,全中国也没有多少个风洞试验室,更遑论广东省内。除了少数一些标志性的建筑物进行了试验之外,并不是每一座建筑物都有条件做。
根据天气预报,5月18日深圳华强北无降雨,伴有阵风,最大阵风为5级。
5月18日的天气预报
如果阵风的作用周期与赛格大厦的自振周期(7~10秒)相接近,是有可能引起大厦出现明显晃动的。
矿机说
“据传闻,因为最近两个月chia币的兴起,华强北土豪老板们纷纷在摊位挖币,很多就在赛格大厦内。因为ssd硬盘供不应求,挖矿矿机多采用的是传统机械硬盘。数以万计的机械硬盘同时作高速顺时针旋转,因此有人怀疑是否因此引起了大厦的共振。”
分析:
从另一个角度来看,这可能是一个有趣的科幻电影题材。
《赛格朋克之硬盘危机》
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