深圳赛格大厦晃动原因浅析及对策

发布时间:2024-02-04 20:02:28浏览次数:6
【钢结构·探讨】深圳赛格大厦晃动原因浅析及对策深圳赛格大厦 2021 年 5 月 18 日-20 日连续三天发生有感晃动。本文从力学概念和钢管混凝土结构特点的角度,对深圳赛格大厦晃动原因进行定性分析,给出其晃动原因、是否安全和加固方法。笔者作为国家钢管混凝土规范的主编,从规范设计的角度和钢管混凝土结构性能好坏两方面,客观分析深圳赛格大厦晃动原因、提出加固建议并给出验证的方法,供大家参考,也为今后此类结构应用和规范的修订提供建议。前言深圳赛格大厦 2021 年 5 月 18 日-20 日连续三天发生有感晃动,笔者有幸当年到华艺设计院实习,了解深圳赛格大厦一些设计过程,并随后从事钢管混凝土结构的研究几十年。本文从力学概念和钢管混凝土结构特点的角度,对深圳赛格大厦的晃动进行定性分析,不涉及具体定量化的计算,从而达到快速发现主要问题、解决问题、问题的解决方案可快速验证等多重目的。1 晃动原因分析任何振动都是有荷载引起,其中动力荷载三要素:振幅、频率、时间。深 入研究和控制,在此类影响下的疲劳也需要今后进一步深入研究。作者简介查晓雄1968 年出生,男,哈尔滨工业大学(深圳)博导,教授,国家标准《钢管混凝土结构技术规范》主编、国家行业标准和中国工程建设标准化协会标准《金属面绝热夹芯板技术规范》主编,中国钢协钢-混凝土组合结构协会第七、第八届理事长,中国钢结构协会常务理事,中国钢结构协会专家委员,中国建筑金属结构协会钢结构专家、深圳市高层次人才、深圳集装箱模块式房屋创意工程实验室主任、深圳储碳型水泥基材料工程实验室主任。近五年来在科研教学等方面:发表论文二百余篇,多个国际刊物的审稿人,出版专著 7 本,获国家 专 利 32 项 , 研 究 成 果 分 别 获 深 圳 市 2007 年 科 技 进 步 创 新 奖 ( 排 名 第2),2013 年度“深圳市科技进步奖”一等奖(排名第 3),2014 年“广东省科学技术奖”(排名第 3)、2014 年度“国家科学技术进步奖”二等奖(排名第 5)、2015“华夏建设科学技术奖”一等奖、2015 年度中国钢结构协会杰出人才奖、2015 工程建设标准化年度人物。主持了国家自然基金、国家科技支撑计 划、广东省基金等国家级及省部级项目、深圳香港创新圈项目/国际合作项目、国家重点实验室项目、英国皇家协会国际合作项目。查晓雄教授长期进行钢混凝土组合结构、金属面绝热夹芯板结构、装配式结构、模块化集装箱房屋、节能环保相关的课题研究,并致力于二氧化碳技术、绿色建筑建材的研发与应用。 圳赛格大厦建成 22 年,经历过山竹等大风的作用,这次晃动中气象记录风荷载并不大,这说明本次风荷载中只有频率能发挥作用,荷载振幅不大情况下频率发生作用的方式通常都是共振,由此可以说明深圳赛格大厦此次晃动的原因:只能是风荷载和结构频率相似导致的共振。除风荷载外,还有可能周边地铁动荷载,不过这些荷载已经存在多年,特征都比较稳定,不如风荷载随机性好,不能解释赛格大厦晃动多次突然发生在5 月中旬的中午。为什么赛格大厦几次晃动或共振都是发生在 5 月中午,一方面的原因,可能同深圳市五月份风荷载频率具有其特殊的波动规律有关(钢管混凝土舒适度按照 10 年一遇风荷载计算的,见图 1,摘取 GB50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》,另一方面中午温度高,这几天深圳温度非常热,钢结构在高温下刚度降低从而影响钢结构的频率,深圳赛格大厦中外露的、能受外界高温影响的钢结构部分就是塔顶 63m 左右高的天线。其他钢结构都在室内,有空调的恒温作用,影响不大。 图 1 GB50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》部分为什么赛格大厦塔顶天线会影响结构的晃动?第一,深圳赛格大厦设计很早,钢管混凝土结构国家规范还没有颁布,设计的外柱套箍系数 0.64,内柱套箍系数 0.474,相对比较小,现在 GB50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》规定套箍系数在 0.5~2.0 中间(见图 1),而且赛格大厦结构用钢量在 70kg/m2左右,用钢量偏小也造成结构偏柔。第二,以前结构设计中并没有考虑天线(见图 2 深圳赛格大厦结构设计师的论文),后来增加了天线,而且不是对称布置,会造成偏心和扭转,通过风荷载易产生共振(见图 3 华中科技大学硕士 论文)。本项目虽然做了风洞试验,但不知道风洞试验是否考虑了塔顶天线(很有可能同结构设计没有考虑塔顶天线)。第三,1999 年 5 月中午,赛格大厦也发生过晃动和周边恐慌,当时结构刚刚封顶,塔顶天线安装高度应该不高,时间也是 22 年前的五月中午(见图 4),此时结构和天线都易受外部高温影响(装修和空调没有完成),所以 5 月份风荷载和中午的高温是相似的。图 2《深圳市赛格广场结构设计》论文部分 图 3《深圳赛格广场建设项目评析》硕士论文部分 图 4《深圳赛格广场建设项目评析》硕士论文部分所以笔者认为深圳赛格大厦晃动的原因:类似五月份风荷载脉动特征(十年一遇),加上中午高温对外露偏心钢结构塔顶 63m 高天线影响,二者共同作用下导致频率此长彼消变化的共振引起。这也很好解释了为什么几次晃动都是 发生在 5 月中旬左右的中午。2 是否存在安全问题需要拆除?赛格大厦结构设计是我国工程师完成的第一个超高层建筑,获得过很多荣誉,不仅有很大的创新性和挑战性,也是非常优秀的设计,含钢量控制在非常小的范围,是现在很多钢管混凝土结构设计的 1/3~1/4。当然能力越大,责任越大“With great power comes great responsibility”,肩负谱写建筑传奇使命的人,也可能因为外在条件的复杂性存在一定挑战和风险。由于以下原因, 笔者认为赛格大厦结构是安全的,不建议赛格大厦拆除:1) 以前 1999 年发生过晃动,也引起路人恐慌,但工地工人照常施工,不受影响,因为工人们知道大厦不会倒塌,所以施工专业人员都没有过激反应(见图 4 以前新闻报到)。2) 此次报道中没有见到装饰物脱落等破坏现象,大部分是感觉,变形并不是很严重。地震时中震对建筑物都会有伤害,一般都是适当维修后继续使用。检测结果都在规范规定的范围内(但检测没有分出不同时段的变化规律,看不到温度的影响效果,这是遗憾之处)。 3) 现有看到的现象,大部分是变形或振动波动大,呈现弹性变形特性,而钢管混凝土组合结构延性好,这是无数次试验证明的结果,所以结构抗变形能力强,安全性没有问题,但对舒适度有影响。3 加固或补救方法由上,共振是两个振动的频率接近造成的,去掉或改变一个共振源就可以有效避免共振。因此避免赛格大厦晃动最有效的方法:直接去掉塔顶不对称天线(不知是否会影响一些功能使用)。其次把两个天线相连来增加刚度、或者对天线进行温度隔热保护措施(表面刷温度反射涂料)也是可行的但没有前面方法效果明显。4 结论和展望综上,笔者认为深圳赛格大厦晃动的发生原因是:十几年一遇的风荷载,结合中午高温下塔顶天线刚度变低,造成二者振动频率此长彼消导致接近,发生共振引起的,对结构安全性没有影响,对结构舒适度有一定影响(舒适度按照十年一遇设计的),建议采用去掉塔顶不对称天线这一简单处理方法。本文的观点不一定正确,但可以通过对比去掉塔顶天线前后监测数据结果, 来验证是否有立竿见影的效果。如果验证正确,这种方案将是最简单、易实现的。如果验证效果不明显,则需要进一步查找原因,同时建议:1)全楼排查,看看是否有局部损伤,这也会导致结构刚度的降低,虽然这个原因不能解释为什么晃动发生在中午,但随着结构刚度的降低,会导致今后共振发生的频率增大。2)每天的检测数据结合不同时段给出,一方面验证每天不同温度是否影响结构的晃动,另一方面看看变化是否平稳或有突变,找到一些规律。钢管混凝土结构由于良好的承载力、延性、施工方便快速,近几十年来在高层超高层、大跨度桥梁、摩天厂房、塔架推广应用迅速,但任何事物都需要一分为二、客观科学的看待,不会是十全十美的。钢管混凝土结构也是这样,它类似钢结构,特别现在发展很快的高性能钢材,其承载力高必然带来的问题是截面小、刚度柔,还有现有 GB 50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》风荷载下舒适度按照十年一遇考虑。随着社会进步和要求提高,结构计算分析的精确性也越来越高,在变形或刚度、舒适度等第二类极限状态设计方面值得更深
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