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高楼为什么一直在晃,还那么吵?


时间:2022-05-06  来源:  作者:  点击次数:


最近因为北京的疫情,不得不在家呆了很久。向窗外望去,仍然有许多高楼。但是,这次走近窗户,我注意到大部分建筑上都竖起了几根“管子”,可能是避雷针。

如果是以前,我可能会认为他们都静静地站在繁忙的城市里,但现在,浮现在我眼前的画面是一些工程师拖着测量仪器来到屋顶,然后告诉世界,“高楼不可能静止不动。”而且,它们还在发出声音。

作者|王一博

修改|王宇

一直在抖。

1929年7月号《摩天大楼》 (Skycracker)有调查发现,当时美国已经有377栋20层以上高度的建筑,其中10栋超过152米。但奇怪的事情发生了:即使只有微风,40层大楼上层房间的一些员工也能感觉到大楼在摇晃,甚至可能出现晕船之类的症状。直到1929年左右,大卫库什曼科伊尔发明了便携式水平摆式地震仪,才有人研究过高层建筑在风中的行为。他挑了几个有风的日子,带着这个设备来到纽约高楼的屋顶。这个装置由两个杠杆组成,每个杠杆上都带有一面镜子,可以将入射光反射到另一卷感光纸上。他将两个杠杆调平,分别测量高楼的侧向移动和表面倾斜,最后记录在相纸上。

科伊尔发现,每一座高楼在刮风时的表现都不一样。记录在相纸上的波浪线表明,高楼可能每分钟“颤抖”40次,频率少一点的就要颤抖8次。科伊尔认为,也许正是这些微小但重复的振动,导致室内吊灯晃动高达数英尺(一英尺约为0.3米),并导致浴缸中的水产生波浪。但他检测的高楼没有发现结构安全问题。

这似乎是工程界的一个“秘密”。随着建筑物越来越高越来越薄,它们更容易被风吹动。

如果给单摆施加外力,它可以离开平衡位置。此后,如果一直施加外力,它所做的就是强迫振动。但即使去掉外力,它也能自由振动,即能以一定的频率无阻力振动,对应的频率称为固有频率。

现在,我们需要像工程师一样思考:高楼不是完全刚性的,是可以竖起来的。那么,倒立摆就可以作为高楼的物理模型。

因此,在连续风的作用下,高楼会偏离平衡位置,被迫振动。而且对于风来说,高层建筑也是一个障碍,所以会选择绕道,从建筑两侧绕过去。此时,风会在建筑物的后部形成旋涡而脱落,这种现象称为旋涡脱落。此外,当风旁通时,会产生压力差,进而产生吸力将建筑物吸走。这又会反过来影响建筑周围的流场,使建筑前后摆动。当旋涡脱落的频率等于建筑物的固有频率时,就会发生共振,工程上称之为涡激振动。

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  绕过圆柱后形成的涡激振动。图片来源:A。 Placzek/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

  再回到倒立的单摆,随着单摆长度的增加(楼层增加),振动周期会变长,而振动频率则会降低。因此,不只是强风才能造成破坏,速度较低的风(频率较低)反而更容易引发高楼的涡激振动,例如2021年深圳赛格大厦发生的明显晃动就主要是由涡激振动引起的。

  工程师把这个“秘密”放在心里,但在设计时,他们不仅在思考如何让高楼抵抗较高的风荷载,还在寻找与风“共存”的方式。在此前提下,更重要的是,工程师还需要通过设计“瞒”住室内的人,让他们感觉不到楼房的晃动,即使晃动几乎一直都在发生。

  感觉到晃动

  事实上,人类很难感知速度,例如在匀速行驶的汽车或火车上,如果没有参照物,我们几乎感觉不到自己在前进。不过,我们对加速度却格外敏感,比如突然刹车和飞机降落时,速度的变化让身体立即做出反应而被切实地感受到。工程师想知道的是,高层上的人对加速度究竟有多么敏感。

  经过训练的战斗机飞行员有时需要承受4个重力加速度,而100层高楼的振动加速度则只有重力加速度的百分之一,这对大多数人而言是难以被感知到的。但相比于测试楼房的振动加速度,我们更难明确不同的人对加速度的敏感性和承受力。例如,在一系列叫做“moving room”的实验中,研究人员用风洞模拟了一个移动的房间,并通过改变移动频率和加速度来研究受试者的敏感性。结果发现,在5位受试者中,可能会有一位在房间停止移动时认为房间还在动。这种错觉类似于,旁边的列车先开动了,但我们以为是自己乘坐的那辆列车先动了。

  不过如今,科学家认为最敏感的人可能会在0.03到0.04个重力加速度时感知到楼房的晃动,并在0.1到0.2个重力加速度时感到不安。在美国过去30年间,工程标准指出,在每十年一遇的飓风面前,摩天大楼(住房用)最高层的晃动频率不能超过0.15到0.18个重力加速度。这时候,工程师可能会用到阻尼器来抵消楼房的振动,或改变楼房的外形,例如上海中心大厦螺旋上升的结构,以及上海环球金融中心上方特意开出的洞。

  楼房在“发声”

  在物理课堂上,你可能见过老师用音叉来演示振动敲击音叉,在让旁边小球振动的同时,还能发出声音。同样的,当风“敲”击楼房时,也能产生声音,但通常由于频率过低(小于20 Hz)而难以被人听到。但也有例外,只不过声音并没有那么优美。

  2021年7月,news.com.au网站上曾发表一篇报道称,位于墨尔本的一些居民抱怨在高层公寓的晚上就像置身于一场恐怖电影一样,从屋顶莫名传出的嘎吱嘎吱声让他们难以入睡。当时,墨尔本经历了几天恶劣的天气。建筑商表示,在强风的条件下,高层公寓原本就会“发出声音”,但他们也会做进一步的调查。那么,天气果真会让高楼“出声”吗?

  对于这个问题,我们得从建筑物的材料入手。建筑物多是由钢、混凝土和塑料构成,它们会随着温度的升高和降低而分别膨胀和压缩,这部分材料可能会绷紧或互相发生摩擦,于是便会产生砰、咯嗒、噼啪等的声音。

  不过,BonnieSchnitta表示,高层楼房发出的声音大多来自管道和非承载墙,而不会影响楼房的主要承载结构。Schnitta是美国纽约一家叫做SoundSense的声学咨询公司的创始人和CEO。她还说,当房顶和地板不是同步振动时,也可能会由于上方和下方相互拉扯的张力而产生如枪声般的砰砰声。但这些并不是不能解决,最常用的方案是在墙的拐点处安装柔性的铰接。

  最后

  1983年,当飓风艾丽西亚袭击美国休斯顿时,有2位工程师Robert Halvorson和Michael Fletcher顶着大风来到了富国银行广场(当时叫做Allied Bank Plaza)的楼顶。他们想要在这里测试这栋71层高楼在飓风中的表现。尽管脚下的地板在上下剧烈地振荡,但他们心里确信这栋楼的结构没有损坏,因为这是他们工程师精心设计出来的。

  尽管历史上记载了许多楼房倒塌的事件,如1995年韩国三丰百货店倒塌事件,法国戴高乐机场2E候机厅坍塌事件,但这些大都是因为结构承载发生了问题。如果在前期设计和风洞试验模拟时做得足够严密和精确,或许就能减少类似灾难的发生。

  参考链接:

  https://www.insidescience.org/news/why-skinny-skyscrapers-are-so-loud-and-how-quiet-them

  https://gizmodo.com/how-much-do-skyscrapers-actually-move-1707522178

  https://books.google.co.jp/books?id=BCgDAAAAMBAJ&pg=PA28&lpg=PA28&dq=New+machine+proves+skyscrapers+shiver+in+wind&source=bl&ots=8CPpRZDqiq&sig=ACfU3U0fyPQsWAUVxhOKKWb6JB98y-a9kw&hl=zh-CN&sa=X&ved=2ahUKEwiSpZvAmsf3AhVR-mEKHaa3AQIQ6AF6BAg_EAM#v=onepage&q=New%20machine%20proves%20skyscrapers%20shiver%20in%20wind&f=false

  https://www.theb1m.com/video/how-tall-buildings-tame-the-wind

  https://discovery.ucl.ac.uk/id/eprint/10123414/1/Littler_10123414_thesis.pdf

  https://www.news.com.au/finance/real-estate/like-a-horror-film-melbourne-highrise-residents-haunted-by-creepy-sound/news-story/e7d00d50f979bc5de55083e4e951c256

  https://minnesota.cbslocal.com/2014/01/07/good-question-why-do-our-houses-make-noise-when-its-cold/

  https://asa.scitation.org/doi/10.1121/10.0007620

  本文转自《环球科学》


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