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经过近两个月的试验检测分析,赛格广场大厦有感振动的直接原因终于被查出来了!

来源: 日期:2021-07-16

和去年“5·5”虎门大桥涡振一样,今年的“5·18”深圳赛格大厦突然之间的摆动,牵动着全国人民的心,引发了公众对超高层建筑的担忧。“5·18”赛格广场大厦振动事件发生后,相关部门的检测分析进展如何?大厦结构是否安全?振动原因是否查明?……近日,相关单位负责人和专家通过媒体通报了最新进展,阐明了赛格大厦有感振动的直接原因和内在原因。

“5·18”事件发生后,市住建局组建了由岳清瑞、周福霖、聂建国、陈政清、陈湘生5位工程院院士和勘察设计大师以及多家权威机构、科研团队等参与的技术统筹与工程诊治、监测鉴定与专业论证、安全论证与原因分析三大专家组。

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;且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。

1、桅杆风致涡激共振是引发大厦有感振动的主要外因和直接原因

一是对桅杆开展专项动力性能测试和分析。采用了多普勒激光测振、振动视频图像识别等技术手段。结果表明:桅杆在5月18日-20日发生了21次频率为2.12Hz反相位从静止开始的非对称风致涡激共振。

二是对大厦开展持续的动力性能监测和分析。从大厦地下室到顶层桅杆进行了加速度等实时监测,实测了振动形态、频率、阻尼比等各项动力参数,得出了前20阶的各种振动条件下的主要振动模态。结果表明:5月18日-20日大厦发生的有感振动为高阶弯扭组合模态,与桅杆振动频率同为2.12Hz。

三是激振测试验证了桅杆的振动可以带动大厦振动。对桅杆和大厦开展了不同位置、不同方向、不同频率共26个工况、63组的激振测试。结果表明:在2.12Hz频率下,桅杆的第四阶非对称振动可以带动大厦发生高阶弯扭组合振动。

综上,在稳态且持续一定时间的特定风场条件下,大厦桅杆产生了频率为2.12Hz的第四阶反向位非对称涡激共振,激发了大厦主体结构频率同为2.12Hz的高阶弯扭组合模态,进而引起大厦主体结构有感振动。

2、大厦及桅杆动力特性的改变是引发大厦20余年后才发生有感振动的主要内因

大厦使用20余年后,局部楼层压型钢板组合楼板及桅杆连接点等累积损伤使结构频率、阻尼比等动力特性发生了改变,桅杆和大厦主体结构具有了2.12Hz的共同振动频率,形成了共振的必要条件。上述局部累积损伤只是对结构动力特性产生了影响,不影响主体结构安全。

小优算了下时间,从“5·18事件”发生到今天发布结论,专家组采用技术调查与试验检测的方式,花了近两个月的时间才找到和论证了赛格大厦晃动的确切原因。其实,在事件发生后不久中南建筑设计院通过流固耦合的风振仿真分析,从涡激共振的角度来解释赛格大厦晃动现象。

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△赛格大厦流固耦合的风振仿真分析

以第一阶周期为基准,建立均质弹性体的大厦简化模型,得到结构的风振加速度约为0.045m/s²。由于采用了高度简化的结构分析模型,因此只能定性解释结构的振动现象。若需要得到更为准确的风振分析结果,还需要建立更为精细的有限元分析模型。

薄膜结构是近年来应用十分广泛的一种新型大跨度柔性屋盖结构,其基本力学特点是“轻”和“柔”,因而对脉动风荷载的作用十分敏感,风荷载是结构设计中的主要控制荷载。采用流固耦合仿真技术可以模拟出强风条件下膜结构明显的流固耦合效应,通过膜结构局部和整体振动三维时程分析可以得出膜结构风致破坏情况,为膜结构以及下部主体结构设计提供抗风设计补充参考。

什么是风与结构的流固耦合作用?

城市建筑所处的大气底层通常是湍流充分发展的地带,地表摩擦使得湍流扩展到整个大气边界层高度(规范规定300~550米)。

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城市风环境分析

结构风工程领域通常将实测风速分为长周期的平均风和短周期的脉动风,其中平均风引起结构静力响应,脉动风通常与结构自振周期接近,发生不同程度的流固耦合振动现象。对于一般高层建筑,通常发生顺风向抖振和横风向涡激振动。由经典的圆柱绕流问题可以发现,建筑截面在风作用下将在横风向产生交替的旋涡,形成两侧交替脱落的现象。

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卡门涡街

这种卡门涡街现象使得结构表面横向风压出现周期性变化,当变化频率与结构自振频率接近时,将会发生涡激共振现象,使得结构发生明显的振动现象甚至失稳。

旋涡脱落频率

在实际工程结构设计中,不同建筑截面的旋涡脱落频率与斯托罗哈数有关:

公式中ns为完成脱落一个旋涡脱落的频率,D为垂直于来流风向上的平面投影尺寸,U为来流平均风速。根据结构风工程研究成果,斯托罗哈数只和截面形状和雷诺数相关。从上式可知,涡激共振只有当处于接近共振风速范围时才会发生。在实际结构设计中,一定要避免受力结构自振频率接近涡脱频率!

什么是建筑结构流固耦合仿真分析?

国内外研究学者针对风场特性、结构动力特性以及结构风振位移开展了大量研究工作。其中,基于气动弹性风洞试验研究在实际建筑流固耦合分析中应用最为成熟,但存在缩尺比带来的雷诺数问题、气动弹性模型制作复杂和试验难度大等不足之处。

△建筑风洞试验

随着近年来计算机效率迅速提升和计算流体力学(CFD)算法日益成熟,基于CFD和有限元动力计算方法(FEM)联合求解的流固耦合仿真技术可以作为风洞试验的补充,为复杂建筑定性和定量风振分析提供设计参考。

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△超高层建筑风效应分析

基于CFD和FEM的结构风振分析流程

一般基于CFD和FEM的结构风振分析流程为,先利用CFD的大涡模拟瞬态仿真技术求解出建筑表面的脉动风压时程,然后将风压时程数据导入有限元模型中开展动力分析计算。

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基于CFD-FEM的非耦合求解方法

与该流程方法不同,基于CFD和FEM的建筑流固耦合仿真技术,具有两个主要特征:

1) CFD流体计算域和FEM有限元模型不能独立求解;

2) 在CFD-FEM联合求解过程中可以考虑计算风压和结构变形的互相影响。

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△基于CFD-FEM的流固耦合仿真

实施流固耦合仿真模拟,不仅需要考虑流体和固体各自的力学特征,还需要将两者之间的相互作用。优飞迪依托世界知名仿真软件大厂资源,凭借卓越的仿真技术团队与“全心U+端到端服务”模式,在多物理场耦合仿真分析以及联合仿真方面赢得了中国众多知名企业的战略合作,全程陪伴其仿真技术团队的成长。

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深圳市优飞迪科技有限公司简介

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