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深圳赛格大厦三天三晃动惊动各路专家

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广东建设报围城 2021-05-31 13:04

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5月18日下午1时许,深圳市福田区华强北街道赛格大厦发生明显晃动,周边大批市民匆忙跑出大楼。深圳赛格大厦晃动冲上网络热搜,成为人们关注的焦点。之后的5月19日、5月20日,赛格大厦又两度发生晃动。

有网友怀疑因地震所致。对此,深圳市应急管理局官方微博发布消息称,经查看并分析全市各地震监测台站数据,当日深圳未发生地震。

深圳赛格大厦三天三晃动惊动了各方面的专家,他们以各自的专长和丰富的实战经验来探究晃动的成因。是未装阻尼器的原因?还是楼顶桅杆涡激共振?亦或建筑内部设备震动引发共振?至今尚无定论。

据悉,深圳赛格大厦已从5月21日零时起,暂时“封楼”,等待专家们的研究结论。这应该是人们最关切的焦点。

深圳赛格大厦外观

“现在赛格大厦里面已经封闭了,一楼的底商已经撤了,但周边的商户还在正常营业。”据大厦附近的居民反映。

距5月18日深圳赛格大厦第一次晃动已经过了十余天。记者从官方消息了解到5月19日、5月20日中午,赛格大厦曾再度发生晃动。

自5月21日零时起,深圳赛格集团有限公司发布通知,暂停所有业主、商户、租户进出赛格大厦写字楼和电子市场,待相关检测工作完成后再有序开放,有关事宜另行通知。

大厦结构的安全性是目前人们最为关心的重要问题之一。29日下午3点10分,深圳官方发布深圳赛格大厦最新监测情况:专业机构对赛格大厦的房屋沉降、倾斜率、加速度等情况持续进行实时监测。专家组表示,截至当天中午各项监测数据正常,未超出相应标准要求。赛格大厦房屋沉降、倾斜率、加速度监测结果如下:1、房屋本次沉降量在-0.45~0.39mm之间,房屋累积沉降量在-0.51~0.13mm,房屋沉降稳定;2、房屋倾斜率在0.000%~0.050%之间,小于0.2%规范允许值;3、房屋加速度在0.0000m/s^2~0.00432m/s^2之间,小于0.25m/s^2的规范允许值。目前各项监测、检测和鉴定工作仍在加快推进当中,相关情况将及时通报。

广州市设计院建筑结构工程领域专家熊伟向本报记者解释道:“建筑晃动属于正常现象,其实是一种共振现象。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》,设计规范对晃动的距离和频率有明确要求。建筑晃动产生的原因有很多,常见的为风和地震。”

目前,赛格大厦摇晃原因相关部门仍在核查,专业机构对赛格大厦持续进行实时监测。

公开资料显示,深圳赛格广场位于深圳市交通干道深南中路与华强北路交汇处。据公开资料显示,赛格大厦于1999年建成完工,总高355.8米,总建筑层79层,地上75层,地下4层,总建筑面积达17万平方米,由深圳赛格集团投资兴建,曾经创造了2.7天一层楼的“深圳速度”,是深圳市跨世纪的标志性建筑。

深圳赛格大厦由高级工程师、著名建筑师陈世民设计。在2001年,该建筑被评为“国家科学技术进步奖二等奖”。据了解,赛格大厦是目前世界最高的钢管混凝土结构大厦。晃动之后,赛格大厦未安装阻尼器成为人们讨论的焦点。

阻尼器是以提供运动的阻力、耗减运动能量的装置。在超高层建筑中,阻尼器是控制楼体在强风中的摆动幅度的常用工具。专家建议,下一步可以考虑安装阻尼器以提高防风防震能力和舒适度。事实上,在我国目前并未有强制要求高层建筑加装阻尼器的要求。但在高层建筑的防风减震中,阻尼器确实起到了不可或缺的作用。

业内专家解释道:“阻尼器就像钟摆,悬于顶楼,当大楼摇晃时,阻尼器相对反向运动可以吸收一部分能量,平衡一部分力,是‘镇楼神器’。”

中国建筑科学研究院风洞实验室主任陈凯表示,高层大厦的振源是多种多样的,包括地震、轨道交通,以及楼内人员的活动。风也很有可能是一个重要的因素,需要通过一个比较全面的调研,包括对整体结构来进行一个分析判断。

同时,高层建筑时时刻刻都在以一定的频率摆动,称为安全摇摆。建筑越高,摆动幅度越大,而只有摇摆幅度过大或摇摆频率和速度过快,才会影响安全。所以,在高层建筑中,一般都会有用于减少摆动的阻尼器。

业内专家对深圳赛格大厦晃动的原因进行多方推测。

一般来说,风吹过建筑结构会在结构两侧形成交替脱落的漩涡,且漩涡脱落的频率随风速的增大而增大,当漩涡脱落频率接近或达到建筑的固有频率时,建筑会发生较大幅度的涡激共振。

深圳赛格大厦的基频为0.17 Hz,其估算涡激共振风速至少应在50 m/s以上,而5月18日在深圳市气象梯度塔附近采用激光雷达测速仪监测到的300 m高空的最大风速仅为10~15 m/s左右,同时考虑到该大厦的横截面为利于抗风的八边形结构,在此较低的风速下,应不会发生大幅振动才对,那么造成该大厦“异常”振动的原因到底是什么呢?

哈尔滨工业大学(深圳)监测到大楼发生比较强烈振动时的主要振动频率并不在基频0.17 Hz,而是在高阶频率2 Hz左右。一般情况下,建筑的风致振动是由基频主导的,而深圳赛格大厦的振动频率却是由高阶频率主导的,这说明该大厦的晃动很可能是外部一个振动频率接近该大厦高阶自振频率(2 Hz)的振动源对该大厦的强迫振动造成的,而他们发现该大厦顶部的细长桅杆的主要频率之一正是在2 Hz左右,另外,桅杆的直径为1.3 m,在亚临界范围内的圆柱体斯托罗哈数St取0.2,基于风工程的基本理论,可以得到其涡激共振风速为13 m/s左右,这与深圳地区高空实测风速也是一致的。

5月20日,哈工大(深圳)土木与环境工程学院副院长、深圳市重点实验室——哈工大(深圳)“城市与土木工程防灾减灾实验室”副主任肖仪清教授接受媒体采访时分析认为,基于现有的资料分析,结合涡激共振的特征可以推断该大厦的大幅度振动是由天台的细长桅杆在较小的特定风速下发生涡激共振,且共振频率与大厦高阶频率较为接近而引起的。需要注意的是,与基阶振型不同,建筑的高阶振型的大幅度振动并不仅仅发生在顶部,中间“反弯点”处的振动也会比较强烈,这也是5月19日部分不同楼层(35层、55层和60层等)商户感受到较强振动的原因。

“此次大厦晃动有可能是某种‘激励源’引发的共振。”熊伟推测道,“激励源”可能来自建筑内部,比如设备震动引发共振,也可能是外部环境,如地下活动或是周边爆破引发。当主体建筑的自振频率和场地的频率一致时,会发生“晃动”。但只有超过一定的振幅和频次,才能被我们肉眼察觉,像广州塔也处于晃动状态,只是频率非常慢,所以肉眼感觉不到。此次赛格大厦的共振频率过快,所以出现视频中的明显的晃动。他建议,“应及时查找‘激励源’,采取相应控制措施,排除安全隐患因素,加强防共振设计。”

赛格大厦连续3天出现摇晃之后,自5月21日起,该大厦被全面封锁,目前仍处于封锁状态,只允许商户进入向外搬货。网友盼望赛格大厦能早日找到属于自己的“定海神针”。

华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室谢壮宁教授认为,安装阻尼器是风工程领域降低超高层建筑风振响应的常用方法,但是不论是调谐质量阻尼器还是调谐液体阻尼器都需要一定的安装空间,且需要根据建筑的具体物理属性进行设计,一般都是在建筑未建成前与建筑一起设计并安装的;在已建成的大厦上设计安装阻尼器可能需要改造建筑本身的空间结构,需耗费大量的人力物力,且阻尼器的设计制作安装也需要一定的时间,即便条件允许,所需的造价也会远比新建时的高;故安装阻尼器可能并不是一个最优的解决方式。

他建议,在桅杆上安装挡流板或者缠裹粗糙的螺旋线以扰乱或减弱有规律的漩涡脱落,这种方式较为简单快捷,但可能并不能完全杜绝桅杆涡激共振的发生,且对安装的附加构件本身的可靠性及与桅杆连接的牢固性有较高要求,或者参考该建筑落成后发生桅杆振动时进行截短的方法,再将桅杆截掉一部分或者直接拆掉桅杆。

中国城市规划设计研究院原院长李晓江在接受采访时表示,超高层的赛格大厦晃动事件,偶然性中有必然性。建筑结构、桥梁结构本身是非常复杂的工程,尽管整体上讲,超高层建筑安全上没有大的问题,但是大型工程依然可能发生超出对现有自然规律认识之外的情况。比如构筑物的震动问题,作为非常复杂的理论问题,至今没有完全解决。

对于过于复杂的工程或者大型工程,用现在的标准规范看,技术上都符合规范,整体上都是安全的,但是并不等于100%不会出问题。因为标准一般是基于现有认识,越高层、越复杂的建筑,越有可能出现超出目前对自然规律认识范畴的情况,所以,没有必要不断挑战建筑的层高,不应将高度视为现代化的象征。

“广州天气变化多端,时常刮起台风,如何保护广州塔不受台风影响是个亟待解决的问题。而广州塔的‘腰’很细,所以它的支撑钢管也无法再加粗,这就促使我们要寻找新的解决方法,不能再固守陈旧的技术。

‘在承担广州塔隔震设计工作时,中国工程院院士,广州大学工程结构抗震研究中心主任、广东省地震工程与应用技术重点实验室主任周福霖院士便遇到了有关“台风”的问题。

2018年,高达600多米的广州塔,扛过了14级的台风“山竹”,此后又多次经历台风考验,纹丝不动,全靠塔里的一根“定海神针”。通过不断摸索和实地考察,周福霖院士决定不再使用传统的地下防震技术,而是在塔顶使用‘质量摆’,通过设置两个巨型水箱来提高建筑的抗风能力,从而使减震效果达到50-60%,即使强风来袭,广州塔也依旧能够不受狂风的影响,耸立在珠江边。

广州塔的减振控制难度在哪?据介绍,由于广州塔结构体型的独特性,对竖向重力荷载较为敏感,需要采取技术措施,避免控制系统在主塔结构上附加质量;其次,塔内可提供的安装减振控制装置空间(竖向和水平向)有限,装置高度都不能超过10米,因此整个控制系统的水平位移单边空间只有1.2米。

在空间环境受限的条件下,团队花费数日想出了一个方案:把塔内原有的消防水箱的质量变成整个减振系统里面的一个子系统的组成部分,既不额外增加质量,也节省空间。同时,团队还研发了具有完全自主知识产权的两级主被动复合调谐整套控制装置,为国内首创,达到世界一流水平。

据了解,广州塔采用了世界最先进的主被动混合控制的减振控制系统,并全球首创利用两个消防水箱作为被动控制阻尼质量块。消防水箱采用钢筋混凝土制作,内部装满灭火用的消防水,两台水箱总重量达1500吨,为了更加精准控制塔身摇摆,在两个水箱上部各安装了一台重达50吨的直线电机主动控制装置,能够根据塔身摇摆的精确数值,自动调整运动模式,进一步降低塔身的摇摆幅度。

专家表示,首先,利用结构的合理设计来抵抗风荷载和地震作用。“防风抗震需要提高建筑结构的刚度,可刚度又不能太强,否则,地震力会随着刚度的增加而增加。因此,在建筑设计时,往往要寻求建筑结构的合理刚度。”

根据国家规范要求,房屋高度不小于150米的高层混凝土建筑结构应满足风振舒适度要求。在现行国家标准《建筑结构荷载规范》规定的10年一遇的风荷载标准之下,结构顶点的顺风向和横风向震动最大加速度计算值不应超过0.25m/s^2。结构顶点的顺风向和横风向震动最大加速度可按照现行行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》的有关规定计算。

根据日前住房和城乡建设部发布的《关于进一步加强城市与建筑风貌管理的通知》明确,严格限制各地盲目规划建设超高层“摩天大楼”,一般不得新建500米以上建筑,各地因特殊情况确需建设的,应进行消防、抗震、节能等专项论证和严格审查,审查通过的还需上报住房和城乡建设部、国家发展改革委复核,未通过论证、审查或复核的不得建设。要按照《建筑设计防火规范》, 严格限制新建250米以上建筑,确需建设的,由省级住房和城乡建设部门会同有关部门结合消防等专题论证进行建筑方案审查,并报住房和城乡建设部备案。中小城市要严格控制新建超高层建筑,县城住宅要以多层为主。

在超高层建筑的设计中,往往会进行风洞试验。这种试验就是将建筑结构的缩尺模型放在一套人工产生风吹的设备中,并制造一定的风力环境,从而测试建筑结构的风压和风力,并测算建筑的响应。

可当建筑达到一定高度,纯粹靠提高结构抗侧力体系刚度的方法会比较困难,一些超高层建筑就会在楼内添加阻尼器来减轻结构的振动响应。阻尼力也叫减震力,它和促使物体运动的作用力,相除的比值,被称为阻尼系数。因此,材料的阻尼系数越大,意味着其减震效果或阻尼效果越好。

“阻尼器也分很多种,有调谐质量阻尼器、调谐液体阻尼器、粘滞阻尼器、金属阻尼器等等,比如上海中心大厦、台北101大厦都是在内部设置了调谐质量阻尼器。”

超高层建筑不仅在安全性和稳定性均须满足相关标准要求,同时还要考虑建筑的舒适性。专家提醒说,阻尼器并非超高层建筑的必需品,“通过合理的建筑结构设计可以起到减弱风和地震对建筑物的作用,就不需要添加阻尼器了。”

广东建设报记者 刘洁

◎ 编审:张晓琴

◎ 美编:彭一哲

◎ 出品:广东建设报全媒体内容运营中心

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