专家解读华南理工大学杨易研究员、谢壮宁教授为您解读赛格大厦振动事件中的大气边界层风场实测与分析

2021年5月18日，深圳赛格大厦（图1）在不大的风速（根据报道约10 m/s）下发生罕见振动，引起社会公众广泛关注，并引发人们对超高层建筑结构安全的担忧。根据5月18日广东省应急管理厅发布的情况报告，初步研判“引起该建筑振动的原因主要是受风荷载和地铁运行以及温度的影响”。作为影响社会公共安全的焦点事件和结构风工程探讨的热点问题，在目前公开的各种事件原因分析和推算中，由于事发突然，缺乏事件发生时刻的科学观测数据尤其是作为主要原因和激励源的风况数据作为参考。这也是本文研究的背景和初衷。

华南理工大学风洞实验室团队布设在深圳石岩气象梯度塔基地的两台激光测风雷达（分别为WindMast PBL边界层风廓线激光雷达和Wind3D 6000三维扫描型测风激光雷达，图2），捕捉到赛格大厦5·18振动事件前后深圳上空突发大风事件。通过对激光雷达实测数据进行分析，还原了振动事件当天的大气边界层风场信息；并根据风况和有关资料，对大厦发生异常振动的原因进行了分析，以期为该事件的深入研究提供科学依据。

3.1 风况分析

通过对激光雷达实测风场结果进行分析，发现在赛格大厦开始发生振动的5月18日当天，深圳上空发生了一次持续约12 h（从8：00至20：00）的突发风气象事件；建筑顶部300~350 m高空最大平均风速为9~12 m/s；全天水平风向稳定，基本保持在西南偏南风向。

进一步分析雷达实测数据发现：5月17日深圳上空在16：00前后有一段突发大风事件，但持时较短（约2 h）；5月18—19日连续2天突发大风事件均持续时间达12 h（8：00-20：00），平均风特性具有一定相似性；5月20—21日风速和前两天相比，中午前后相对较弱；5月22日后风速减弱（图3）。此外，赛格大厦发生振动期间的风向稳定，均保持在西南偏南-西南风向（图4）。

图4  赛格大厦振动事件前后深圳上空10 min平均风向分布

3.2 振动原因分析

根据激光雷达实测结果和有关资料，对赛格大厦发生振动的原因进行了分析：考虑在赛格大厦来流方向上游的建筑高度均相对较矮（图5），少有超过100 m，不存在对赛格大厦本身有明显不利干扰影响的建筑，不会产生频率相对较高致使赛格大厦高频振动的尾流。

图5  赛格大厦西南方向周边建筑环境航拍

根据哈尔滨工业大学（深圳）研究团队实测发现，大厦发生较强振动时主要在高阶频率，约2 Hz，而大厦顶部细长桅杆的主要频率之一正是2 Hz左右。一般情况下，超高建筑的风致响应是一阶模态控制，而赛格大厦（自振频率约0.17 Hz）所呈现的却是高阶模态的振动；5月19日部分楼层（35层、55层和60层等）商户感受到较强振动也旁证了振动是由高阶模态所致。这说明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，使该大厦发生强迫振动。

现场视频显示，大厦顶部圆形截面的桅杆出现明显振动（图6）。根据桅杆固有频率和直径，推算其涡激共振风速约为13 m/s，这与激光雷达实测得到的深圳地区高空风速基本相符。因此，可以推测该大厦的振动是由持续且相对稳定的特定风速作用下，引发天台细长桅杆结构的涡激共振，且共振频率与大厦高阶频率接近而引起的桅杆-塔楼系统的高阶共振事件，本质上属于“鞭梢效应”。同时，由于其主体结构是钢结构，阻尼比相对较小，这也是导致其振动较大、引起大厦内人员不适感较强的主要原因。

图6  赛格大厦顶部桅杆结构发生明显振动 （源自网络）

3.3 建议措施

对比作者团队以往实测获得的强台风作用下广东沿海多座超高层建筑风致振动结果，赛格大厦发生的有感振动响应幅值并不大，并不会危及到结构的安全，其变形也在允许范围内；但长时间持续且振动频率相对较高的共振响应，会引起人体较明显的不适感。作为中心城市人流高度集中的商业建筑，应对该问题加以解决。

根据以上分析可知，主体结构的振动是桅杆涡激共振响应所致，因此要解决大厦出现的这种特殊风致振动问题，在允许的情况下建议拆除桅杆以消除导致结构振动的根源，进而从根本上解决问题，这是一个较为理想的解决方法。

4.1 激光雷达测风精度问题

在此次赛格大厦振动事件发生之前，两台激光雷达已和深圳气象梯度塔（356 m）进行了为期2个多月（2021年2月-4月）的比对校测。结果显示，两台激光雷达和梯度塔机械风速仪的风速相关性达到0.96；风向相关性达到0.99，激光雷达测风结果的精度得到了检验，保障了本文报道的实测风场数据的准确性。

4.2 测风数据代表性问题

在赛格大厦5·18振动事件中，激光雷达设备布设于深圳气象塔塔址处，实测点与赛格大厦之间的直线距离约为22.4 km（图7）。深圳气象塔塔址处的风场实测数据能否代表赛格大厦处，这是一个关键问题。

2021年5月21日后，作者团队在赛格大厦上游西南方向无遮挡位置布设了一台PBL风廓线激光雷达，与深圳气象塔址处的另一台3D扫描激光雷达开展为期1个多月的同步实测。根据气象塔-赛格广场2台激光雷达异地同步实测的风场数据对比分析，两地之间高空的风速、风向等大气边界层风场特性具有高度一致性（图8）。这间接证明依据5月18日气象塔塔址处激光雷达实测结果推测赛格广场处风特性的合理性和准确性。

图7  激光雷达实测点与赛格大厦的地理方位及风向示意

图8  深圳气象塔塔址处和赛格大厦处约300 m高空风速风向比较（5月21日-6月24日）

值得说明的是，发生在赛格大厦上的特殊振动事件，在超高层建筑结构风致振动历史上较为罕见。结合超高层建筑抗风研究的实践经验和以上对赛格大厦5·18振动事件的分析可以带给我们一些启示：

1）经过严格、规范结构抗风设计的现代超高层建筑，如顶部无类似高大塔桅结构，应不会出现和赛格大厦类似的风振问题；一般情况下不必过于担心由于风振导致的主体结构安全性问题，而需关注幕墙等围护系统的抗风安全性问题。

2）结构风效应现场实测是结构抗风研究的重要基础性工作，应加强对位于强（台）风区的高层建筑的风振和近地边界层风场的实测研究。

华南理工大学风洞实验室团队在多项国家自然科学基金项目的资助下，经过10多年的不懈努力，在我国东南沿海建立了具有一定规模的超高层建筑强台风效应监测平台（图9），获得了一批宝贵的实测数据，这项工作还在持续进行中。

图9  超高层建筑强台风效应监测平台

2021年7月15日，深圳市住建局发布了情况通报，专家组通过技术调查、环境和设备运行调查与测试，排除了地铁运行、周边工程施工或爆破、空调机组运行等影响因素。最终判定引起该建筑振动的原因主要是受风荷载作用的影响，“通过对风致振动与结构累积损伤的重点分析，专家组认为桅杆风致涡激共振和大厦及桅杆动力特性改变的耦合，造成了赛格广场大厦的有感振动”。

为解决大厦有感振动问题，专家组认为”拆除桅杆可以有效解决大厦有感振动问题”。目前，赛格大厦楼顶桅杆的拆除工作已开始（图10）。

图10 赛格大厦楼顶桅杆结构拆除施工作业 （源自网络）

致谢： 哈尔滨工业大学（深圳）、浙江大学等单位专家在赛格大厦5·18振动事件中的研究工作对本文亦有启发，在此致以诚挚谢意！