出品:科普中国
制作:之遥
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近年来,高楼或者桥梁晃动的相关报道似乎越来越多。2019年8月29日,深圳罗湖区的一栋大楼发生晃动,人站在顶层能感受到明显的摇晃感。2020年4月26日,武汉鹦鹉洲长江大桥的桥面出现了明显上下晃动,在桥上"开车如开船"。还有近日备受关注的虎门大桥,据央广网报道,从2020年5月5日下午开始,广东虎门大桥出现异常振动,已施行双向全封闭。
当建筑出现晃动/振动的时候,还能继续居住或使用吗?首先必须强调,在实际工程中,高楼、桥梁晃动的成因、所处的具体情况都不完全相同,因此,对这个问题我们没法给出统一、确定的答案。特别是大家关注的虎门大桥,无论是这次异常振动的原因还是它是否会坍塌,都需要严谨的调查、研究和论证,目前还无法回答。
但是,这并不意味着我们一无所知。关于建筑的晃动原因和防振动的设计,我们已经有了不少研究。
建筑为什么会出现振动?一般是风力或地基作用力引起
其实,房屋、桥梁的晃动问题由来已久,从上世纪开始就已经引起了学者们的关注。
1940年美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥倒塌事件,首次将建筑晃动问题进入了人们的视线。在风力的作用下,塔科马大桥上下剧烈晃动,并最后倒塌。桥边的摄影爱好者拍下了如此令人毛骨悚然的一幕。
动图:塔科马海峡吊桥(图片来源:百度百科)
这一事件引起了科研人员对建筑晃动问题的重点研究,使得建筑的防振动设计获得了长足的发展。
根据现有的研究,建筑出现晃动,主要是由共振导致的。
共振,是指一个物体的振动,会带动另一个物体的振动。二者的振动频率越接近,共振产生的振动幅度会越大。而共振作用的来源,一般是风力或地基作用力。
其中,地基作用力的来源包括地震、地基变形、周围施工作业等多种因素。
前面我们提到的深圳大楼晃动案例,就是地基变形的作用力引起的。大楼附近的另一栋房子因房屋倾斜被拆除,导致了大楼的地基发生了变形,进而导致了整栋大楼出现了晃动现象。而塔科马大桥、武汉长江大桥等桥梁振动案例,则基本都是由风力作用引起的。
但在所有的建筑晃动案例中,风力作用引起的晃动更为常见。
在生活中我们可以发现,短粗的杆子很难发生变形,细长的杆子却很容易来回晃动。大家可以想一下竹子,只拿一小段竹子,是比较坚硬而且不容易变形的,但是如果是一根长竹子,它就很容易发生晃动。
超高层建筑和桥梁本身形状上具有较为细长的特点,导致这两类建筑很容易在风力作用下出现晃动。同时,风力的作用情况比较复杂多变。一般直来直去的风,并不会导致建筑出现特别大的晃动。但是当空气中存在涡流时,复杂多变的风力作用就很容易导致建筑发生变形。
例如"卡门涡街"现象,就是指风绕过桥梁或高楼时出现涡流,进而产生周期性的涡流和风力。当涡流的周期和建筑的固有周期比较接近时,就会因为共振现象,导致建筑物随着风的变化产生比较大的摇摆。在极端情况下,甚至会出现风力吹毁大桥的情况。
动图:卡门涡街(图片来源:公共领域)
而地基变化产生的晃动,一般多发于水位较高的沿河沿海区域。
在这些区域,土壤一般含水量较高,摸起来较软,而且属于我们常说的"黏土"类型。因为长时间的河流泥沙淤积,这些地区地下的坚硬岩石也比较少。建筑立在岩石上的时候会很稳固,但立在淤泥上的时候,就会很容易发生晃动。这就导致在这些地区,一旦建筑周围的土壤环境发生了很大的改变,就很可能导致整栋建筑出现沉降、倾斜或者晃动现象,甚至可能直接导致楼房倒塌。
上海"楼倒倒"事件(图片来源:搜狐网)
当建筑出现晃动,接下来会发生什么?不过,出现晃动,并不意味着建筑物就存在质量问题。
生活中不存在绝对静止的物体,哪怕是肉眼看着不动的建筑,其实也一直处于微小的运动之中。只要建筑物的晃动幅度不大,不会导致人员出现明显不适,或者对建筑结构存在重大损害,就不会对人们正常的生活产生影响。
在高层建筑设计规范以及桥梁设计规范中,都规定了相应的容许振动标准。在容许范围内的振动,我们都可以认为是无害的。
值得注意的是,我国现行规范中,除了振动幅度之外,还对振动的频率进行了要求。高层建筑的振动频率如果恰好在人的听觉频率之内,就会产生比较严重的噪音危害。针对建筑的振动问题,国家的现行标准其实规定的比较严格。
只有当振动超过了规范规定的容许范围时,才意味着建筑的质量、或者建筑所处的环境出现了问题。这种时候就需要设计、维修部门对建筑的异常振动加以重视。通过各种方法减轻建筑的异常振动现象。从而防止因建筑的异常振动,对人的生命财产安全造成损害。
如何减轻建筑振动?
减轻建筑振动的方法有很多种。
对于风力作用产生的振动,可以在建筑周围安装专门的扰流条,破坏涡流的形成,从而避免风力产生的共振现象。此外,还可以在建筑中安装阻尼器,吸收风力和地基作用力产生的能量,避免共振导致建筑振幅不断扩大,减轻建筑收到的损伤。
桥梁阻尼器(图片来源:搜狐网)
学术界最近还提出了一种"主动控制系统"的减振方法。这种方法是通过在建筑中安装整体控制的系统,针对外在的作用,产生对应的抵抗力,从而通过力和力之间相互抵消,达到减振的目的。就像是在建筑内藏了一个"拳击手"和外界作用力"互搏",一拳拳打掉潜在的威胁。
这种系统的减振效果是比较彻底的,但是系统的价格比较昂贵,配置的体量比较大,一般只用于化工厂房等对振动控制要求非常严格的建筑,很少用于民用高层建筑之中。
而在正规的工程中,对建筑进行验收时,都会依照国家规范要求对建筑的振动情况进行检验。只有检验合格之后,才会开放使用。像上海的"楼倒倒"事件,就是建完但还未验收完,在未交付使用的时候发生的。所以大家在买经过正规验收、手续齐全的新房时,不需要担心建筑晃动问题(如果要购买二手房,一定要花时间去现场体验房子的实际居住情况)。
但是,随着建筑年龄日渐增大,周围环境也会发生变化,建筑的振动情况也就可能发生改变,所以,当建筑物真的出现明显的晃动时,一定要尽快离开建筑物,前往安全区域,并及时上报相关部门进行处理。
那什么程度算明显晃动呢?
我们可以给一个参考,高层建筑的限值一般是振动幅度10cm。一般来说,只要人可以清楚感受到建筑晃动,就算明显的晃动。除此之外,还可以将水杯放置在静止桌面上,观察液面是否出现明显波纹,来判断建筑是否发生晃动。
总之,在生活中遇到明显晃动的建筑,一定要尽快离开,保护生命安全。
注:本文中出现的晃动与振动,二者大部分情况下指同一种现象。生活中一般称为晃动,工程中一般称为振动。
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