出品：科普中國

制作：之遙

監制：中國科學院計算機網絡信息中心

近年來，高樓或者橋梁晃動的相關報道似乎越來越多。2019年8月29日，深圳羅湖區的一棟大樓發生晃動，人站在頂層能感受到明顯的搖晃感。2020年4月26日，武漢鹦鹉洲長江大橋的橋面出現了明顯上下晃動，在橋上"開車如開船"。還有近日備受關注的虎門大橋，據央廣網報道，從2020年5月5日下午開始，廣東虎門大橋出現異常振動，已施行雙向全封閉。

首先必須強調，在實際工程中，高樓、橋梁晃動的成因、所處的具體情況都不完全相同，因此，對這個問題我們沒法給出統一、确定的答案。特别是大家關注的虎門大橋，無論是這次異常振動的原因還是它是否會坍塌，都需要嚴謹的調查、研究和論證，目前還無法回答。

但是，這并不意味着我們一無所知。關于建築的晃動原因和防振動的設計，我們已經有了不少研究。

建築為什麼會出現振動？一般是風力或地基作用力引起

其實，房屋、橋梁的晃動問題由來已久，從上世紀開始就已經引起了學者們的關注。

1940年美國華盛頓州的塔科馬海峽吊橋倒塌事件，首次将建築晃動問題進入了人們的視線。在風力的作用下，塔科馬大橋上下劇烈晃動，并最後倒塌。橋邊的攝影愛好者拍下了如此令人毛骨悚然的一幕。

動圖：塔科馬海峽吊橋（圖片來源：百度百科）

這一事件引起了科研人員對建築晃動問題的重點研究，使得建築的防振動設計獲得了長足的發展。

根據現有的研究，建築出現晃動，主要是由共振導緻的。

共振，是指一個物體的振動，會帶動另一個物體的振動。二者的振動頻率越接近，共振産生的振動幅度會越大。而共振作用的來源，一般是風力或地基作用力。

其中，地基作用力的來源包括地震、地基變形、周圍施工作業等多種因素。

前面我們提到的深圳大樓晃動案例，就是地基變形的作用力引起的。大樓附近的另一棟房子因房屋傾斜被拆除，導緻了大樓的地基發生了變形，進而導緻了整棟大樓出現了晃動現象。而塔科馬大橋、武漢長江大橋等橋梁振動案例，則基本都是由風力作用引起的。

但在所有的建築晃動案例中，風力作用引起的晃動更為常見。

在生活中我們可以發現，短粗的杆子很難發生變形，細長的杆子卻很容易來回晃動。大家可以想一下竹子，隻拿一小段竹子，是比較堅硬而且不容易變形的，但是如果是一根長竹子，它就很容易發生晃動。

超高層建築和橋梁本身形狀上具有較為細長的特點，導緻這兩類建築很容易在風力作用下出現晃動。同時，風力的作用情況比較複雜多變。一般直來直去的風，并不會導緻建築出現特别大的晃動。但是當空氣中存在渦流時，複雜多變的風力作用就很容易導緻建築發生變形。

例如"卡門渦街"現象，就是指風繞過橋梁或高樓時出現渦流，進而産生周期性的渦流和風力。當渦流的周期和建築的固有周期比較接近時，就會因為共振現象，導緻建築物随着風的變化産生比較大的搖擺。在極端情況下，甚至會出現風力吹毀大橋的情況。

動圖：卡門渦街（圖片來源：公共領域）

而地基變化産生的晃動，一般多發于水位較高的沿河沿海區域。

在這些區域，土壤一般含水量較高，摸起來較軟，而且屬于我們常說的"黏土"類型。因為長時間的河流泥沙淤積，這些地區地下的堅硬岩石也比較少。建築立在岩石上的時候會很穩固，但立在淤泥上的時候，就會很容易發生晃動。這就導緻在這些地區，一旦建築周圍的土壤環境發生了很大的改變，就很可能導緻整棟建築出現沉降、傾斜或者晃動現象，甚至可能直接導緻樓房倒塌。

上海"樓倒倒"事件（圖片來源：搜狐網）

不過，出現晃動，并不意味着建築物就存在質量問題。

生活中不存在絕對靜止的物體，哪怕是肉眼看着不動的建築，其實也一直處于微小的運動之中。隻要建築物的晃動幅度不大，不會導緻人員出現明顯不适，或者對建築結構存在重大損害，就不會對人們正常的生活産生影響。

在高層建築設計規範以及橋梁設計規範中，都規定了相應的容許振動标準。在容許範圍内的振動，我們都可以認為是無害的。

值得注意的是，我國現行規範中，除了振動幅度之外，還對振動的頻率進行了要求。高層建築的振動頻率如果恰好在人的聽覺頻率之内，就會産生比較嚴重的噪音危害。針對建築的振動問題，國家的現行标準其實規定的比較嚴格。

隻有當振動超過了規範規定的容許範圍時，才意味着建築的質量、或者建築所處的環境出現了問題。這種時候就需要設計、維修部門對建築的異常振動加以重視。通過各種方法減輕建築的異常振動現象。從而防止因建築的異常振動，對人的生命财産安全造成損害。

如何減輕建築振動？

減輕建築振動的方法有很多種。

對于風力作用産生的振動，可以在建築周圍安裝專門的擾流條，破壞渦流的形成，從而避免風力産生的共振現象。此外，還可以在建築中安裝阻尼器，吸收風力和地基作用力産生的能量，避免共振導緻建築振幅不斷擴大，減輕建築收到的損傷。

橋梁阻尼器（圖片來源：搜狐網）

學術界最近還提出了一種"主動控制系統"的減振方法。這種方法是通過在建築中安裝整體控制的系統，針對外在的作用，産生對應的抵抗力，從而通過力和力之間相互抵消，達到減振的目的。就像是在建築内藏了一個"拳擊手"和外界作用力"互搏"，一拳拳打掉潛在的威脅。

這種系統的減振效果是比較徹底的，但是系統的價格比較昂貴，配置的體量比較大，一般隻用于化工廠房等對振動控制要求非常嚴格的建築，很少用于民用高層建築之中。

而在正規的工程中，對建築進行驗收時，都會依照國家規範要求對建築的振動情況進行檢驗。隻有檢驗合格之後，才會開放使用。像上海的"樓倒倒"事件，就是建完但還未驗收完，在未交付使用的時候發生的。所以大家在買經過正規驗收、手續齊全的新房時，不需要擔心建築晃動問題（如果要購買二手房，一定要花時間去現場體驗房子的實際居住情況）。

但是，随着建築年齡日漸增大，周圍環境也會發生變化，建築的振動情況也就可能發生改變，所以，當建築物真的出現明顯的晃動時，一定要盡快離開建築物，前往安全區域，并及時上報相關部門進行處理。

那什麼程度算明顯晃動呢？

我們可以給一個參考，高層建築的限值一般是振動幅度10cm。一般來說，隻要人可以清楚感受到建築晃動，就算明顯的晃動。除此之外，還可以将水杯放置在靜止桌面上，觀察液面是否出現明顯波紋，來判斷建築是否發生晃動。

總之，在生活中遇到明顯晃動的建築，一定要盡快離開，保護生命安全。

注：本文中出現的晃動與振動，二者大部分情況下指同一種現象。生活中一般稱為晃動，工程中一般稱為振動。

文章僅代表作者觀點，不代表中國科普博覽立場

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