风没多大，楼却晃得厉害，可能是这种好看的物理现象在作怪

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　　撰文 | Mirror
　　5月18日，看似风平浪静的一天，深圳赛格大厦却出现明显晃动。这座建成于1999年的大楼已经见识过不少大风大浪，为什么会被不超过5级的风撼动？
　　赛格大厦 | 图源：Wikipedia
　　虽然还未有定论，但目前的主流推测是风引发的 共振 。是什么＂妖风＂引发了共振？在我们身边不乏高层建筑，这种效应会不会导致高楼晃塌？
　　毕竟中学我们就学过军队齐步走振塌桥梁的案例——军队行进的频率恰好与桥梁固有频率一致，引发共振，导致桥梁大幅振荡而倒塌。这是1831年发生在英国布劳顿吊桥上的真实案例。
　　布劳顿吊桥 | 图源：Wikipedia
　　那么楼呢？
　　其实很多超高层建筑中的居民已经对大风天摇摆的高楼习以为常。举最极端的例子——世界第一高楼哈利法塔，828米高的楼顶处 晃动幅度可达2米 。
　　哈利法塔 | 图源：Wikipedia
　　高处风大，出现较大幅度的晃动不奇怪。但实际上，风要晃动高楼并不需要有多强劲，只要形成一种特殊涡旋效应—— 涡旋脱落 （vortex shedding） 就足以使大楼为之颤抖。
　　风吹大楼形成的涡旋 | 图源：Vox
　　涡旋，大家并不陌生，最常见的就是冲马桶时进入下水道的涡旋。而涡旋脱落产生的是一连串涡旋，这些涡旋呈周期性规律排列的现象被称为 卡门涡街 （Kármán vortex street） 。
　　卡门涡街模拟图 | 图源：Wikipedia
　　如果你观察过溪流中的石头，会发现有时水流过去后变得有些抖动。
　　空气也会如此。当流体（气流或水流）遇到障碍物时，它们没法从中间穿过去，就会挨着物体两侧绕开。
　　对于机翼那样的流线型物体，流体可以顺滑地＂溜＂过去，不激起波澜。
　　空气流过机翼示意图 | 图源：Wikipedia
　　但更常见的情况是，障碍物会让流体发生扰动。当绕行流体的惯性力与粘滞力比值（雷诺数）恰好满足一定关系（通常大于90）时，就会在物体下游两侧 ＂脱落＂出两列涡旋，而且是一侧顺时针、另一侧逆时针地交替出现。
　　气缸后的卡门涡街 | 图源：Wikipedia
　　这种涡旋交替分列两道的样子，让人联想到了道路两侧的街灯。又因为物理学家 西奥多·冯·卡门 （Theodore von Kármán） 最先解释了这一现象，故得名＂卡门涡街＂。
　　自然界中不乏卡门涡街现象，例如下面这些：
　　云团经过岛屿时形成的卡门涡街 | 图源：Wikipedia
　　云团流过山体时形成的卡门涡街 | 图源：Wikipedia
　　你还可以在船只的尾迹中发现卡门涡街：
　　图源：Lam, K. M., & Wei, C. T. (2010)
　　卡门涡街虽好看，但也容易惹祸。
　　当这一系列涡旋从障碍物两侧交替经过时，其两侧的瞬时压力交替改变，大气就会将物体往压力小的一侧来回推。这就好比一大群人蜂拥而至，而你却还站在原地，只能任两侧人潮对你推推搡搡。
　　光出现卡门涡街还不是破坏力最强的，最怕卡门涡街的频率刚好和障碍物的固有频率一致，发生 涡激共振 。
　　每个物体都有自己的固有频率，比如拨动粗细不同的吉他弦，它们的振动频率不一样，这也决定了每根弦的音高不同。
　　卡门涡街的频率和流体速度，以及障碍物的迎面宽度有关。流体速度越大、物体迎面宽度越小，卡门涡街频率越大。而建筑物的结构复杂，不同部位的固有频率不同。当卡门涡街的频率刚好与某一固有频率合拍时，就会发生共振，加剧涡街带来的振动。
　　物体随涡旋振动模拟图 | 图源：Wikipedia
　　卡门涡街引发的振动在烟囱、冷却塔、塔楼、管道等高挑的圆柱形物体附近更明显。当它与物体发生共振时可以产生相当大的破坏力。
　　1965年，英国费里布里奇发电站100多米高的冷却塔接连倒塌，正是因为卡门涡街引发共振。
　　1965年费里布里奇发电站冷却塔倒塌 | 图源：Melcer, J. (2017)
　　为此，一些烟囱、冷却塔顶安装上了螺旋形扇叶，阻碍卡门涡街形成。
　　不止是卡门涡街，还有大风带来的 颤振 （aeroelastic fluttering） 也会威胁建筑物。最经典的例子是短命的美国塔科马吊桥，1940年才通车4个月的大桥借风势荡了下秋千，啪一下就没了。
　　1940年塔科马吊桥倒塌 | 图源：Wikipedia
　　这个案例过去还被写进了教科书，作为卡门涡街的范例。然而，后来的研究者发现，事故发生时的涡旋频率和吊桥固有频率并不满足共振条件，导致吊桥倒塌的更可能是高风速引发的颤振。
　　为了避免风给建筑物，尤其是高层建筑带来灾难性破坏，建筑设计师和工程师花了不少心思。
　　减轻振动最常用的方法是安装 阻尼器 ，它的作用相当于汽车上的安全气囊，可以吸收缓冲一部分风或地震带来的振动冲击。
　　台北101大楼中的阻尼器 | 图源：Wikipedia
　　台北101大楼在90层左右的位置安装了一个730吨的金色大摆锤，这是一种 调谐质量阻尼器 （tuned mass damper，TMD） 。
　　阻尼器在台北101大楼中的位置 | 图源：Wikipedia
　　每当强风侵袭，楼开始有晃动倾向，液压系统便推动摆锤朝反方向晃动，以抵消部分对楼的振动。
　　风往这边刮，摆锤就往另一边晃 | 图源：wiki.chssigma
　　很多高层建筑在外形和基本结构上已经重点考虑了风力的影响，即使出现一定幅度晃动也不会坍塌，安装阻尼器更多时候是为了住户的舒适度，以免引起恐慌。
　　例如哈利法塔由数个高度不一的筒状结构组合在一起，不规律的结构扰乱了气流，让它们无法有组织地形成规律涡旋。
　　还有一些大楼很有＂绅士风度＂地给风让道，在楼体上开洞。
　　上海国际金融中心 | 图源：Wikipedia
　　赛格大厦采用的 钢管混凝土结构 ——外层钢管，内层混凝土，理论上也是一种相当稳固的结构。楼体侧方受力时，外侧拉伸得最厉害，那里的钢管耐拉伸，可以抵抗弯折；而内层混凝土不耐拉伸，但垂直方向的抗压能力强，在内部起承重作用。
　　据专家推测，赛格大厦的这次晃动除了可能因为＂逛了下卡门涡街＂，地铁运行带来的震动和温差剧变导致的钢结构形变，以及抗侧力构件失效等因素，都可能助推了这场波澜。好在它还不至于造成像金刚大战哥斯拉那样，大楼倾塌的灾难。
　　图源：《金刚》1933年
　　在修建超高层建筑前，工程师必须充分考虑当地历年来的环境条件，对建筑模型进行风洞实验，确保大楼能挺过至少半个世纪的风雨。
　　尽管有时人算不如天算，也可能不够预算，但安全永远应该放在第一位。
　　封面图来源：Wikipedia
　　无标注图片来源网络。
　　参考资料储存于石墨：
　　https://shimo.im/docs/cxtWy86KyXcdtT6d
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