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？
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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 。
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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 。
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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 。
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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） 。
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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 。
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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 。
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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：
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云团经过岛屿时形成的卡门涡街 | 图源：Wikipedia
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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：
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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） 。
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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 。
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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 。
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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 。
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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 。
无标注图片来源网络 。
参考资料储存于石墨：
https://shimo.im/docs/cxtWy86KyXcdtT6d
来源：把科学带回家
【卡门涡街|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】编辑：hxg
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