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不用炸药，怎么搞塌一座桥？

中国科普博览 2020-05-09 浏览74次

近年来，高楼或者桥梁晃动的相关报道似乎越来越多。2019年8月29日，深圳罗湖区的一栋大楼发生晃动，人站在顶层能感受到明显的摇晃感。2020年4月26日，武汉鹦鹉洲长江大桥的桥面出现了明显上下晃动，在桥上"开车如开船"。还有近日备受关注的虎门大桥，据央广网报道，从2020年5月5日下午开始，广东虎门大桥出现异常振动，已施行双向全封闭。

当建筑出现晃动/振动的时候，还能继续居住或使用吗？

首先必须强调，在实际工程中，高楼、桥梁晃动的成因、所处的具体情况都不完全相同，因此，对这个问题我们没法给出统一、确定的答案。特别是大家关注的虎门大桥，无论是这次异常振动的原因还是它是否会坍塌，都需要严谨的调查、研究和论证，目前还无法回答。

但是，这并不意味着我们一无所知。关于建筑的晃动原因和防振动的设计，我们已经有了不少研究。

建筑为什么会出现振动？一般是风力或地基作用力引起

其实，房屋、桥梁的晃动问题由来已久，从上世纪开始就已经引起了学者们的关注。

1940年美国华盛顿州的塔科马海峡吊桥倒塌事件，首次将建筑晃动问题进入了人们的视线。在风力的作用下，塔科马大桥上下剧烈晃动，并最后倒塌。桥边的摄影爱好者拍下了如此令人毛骨悚然的一幕。

△动图：塔科马海峡吊桥（图片来源：百度百科）

这一事件引起了科研人员对建筑晃动问题的重点研究，使得建筑的防振动设计获得了长足的发展。

根据现有的研究，建筑出现晃动，主要是由共振导致的。

共振，是指一个物体的振动，会带动另一个物体的振动。二者的振动频率越接近，共振产生的振动幅度会越大。而共振作用的来源，一般是风力或地基作用力。

其中，地基作用力的来源包括地震、地基变形、周围施工作业等多种因素。

前面我们提到的深圳大楼晃动案例，就是地基变形的作用力引起的。大楼附近的另一栋房子因房屋倾斜被拆除，导致了大楼的地基发生了变形，进而导致了整栋大楼出现了晃动现象。而塔科马大桥、武汉长江大桥等桥梁振动案例，则基本都是由风力作用引起的。

但在所有的建筑晃动案例中，风力作用引起的晃动更为常见。

在生活中我们可以发现，短粗的杆子很难发生变形，细长的杆子却很容易来回晃动。大家可以想一下竹子，只拿一小段竹子，是比较坚硬而且不容易变形的，但是如果是一根长竹子，它就很容易发生晃动。

超高层建筑和桥梁本身形状上具有较为细长的特点，导致这两类建筑很容易在风力作用下出现晃动。同时，风力的作用情况比较复杂多变。一般直来直去的风，并不会导致建筑出现特别大的晃动。但是当空气中存在涡流时，复杂多变的风力作用就很容易导致建筑发生变形。

例如"卡门涡街"现象，就是指风绕过桥梁或高楼时出现涡流，进而产生周期性的涡流和风力。当涡流的周期和建筑的固有周期比较接近时，就会因为共振现象，导致建筑物随着风的变化产生比较大的摇摆。在极端情况下，甚至会出现风力吹毁大桥的情况。

△动图：卡门涡街（图片来源：公共领域）

而地基变化产生的晃动，一般多发于水位较高的沿河沿海区域。

在这些区域，土壤一般含水量较高，摸起来较软，而且属于我们常说的"黏土"类型。因为长时间的河流泥沙淤积，这些地区地下的坚硬岩石也比较少。建筑立在岩石上的时候会很稳固，但立在淤泥上的时候，就会很容易发生晃动。这就导致在这些地区，一旦建筑周围的土壤环境发生了很大的改变，就很可能导致整栋建筑出现沉降、倾斜或者晃动现象，甚至可能直接导致楼房倒塌。

△上海"楼倒倒"事件（图片来源：搜狐网）

当建筑出现晃动，接下来会发生什么？

不过，出现晃动，并不意味着建筑物就存在质量问题。

生活中不存在绝对静止的物体，哪怕是肉眼看着不动的建筑，其实也一直处于微小的运动之中。只要建筑物的晃动幅度不大，不会导致人员出现明显不适，或者对建筑结构存在重大损害，就不会对人们正常的生活产生影响。

在高层建筑设计规范以及桥梁设计规范中，都规定了相应的容许振动标准。在容许范围内的振动，我们都可以认为是无害的。

值得注意的是，我国现行规范中，除了振动幅度之外，还对振动的频率进行了要求。高层建筑的振动频率如果恰好在人的听觉频率之内，就会产生比较严重的噪音危害。针对建筑的振动问题，国家的现行标准其实规定的比较严格。

只有当振动超过了规范规定的容许范围时，才意味着建筑的质量、或者建筑所处的环境出现了问题。这种时候就需要设计、维修部门对建筑的异常振动加以重视。通过各种方法减轻建筑的异常振动现象。从而防止因建筑的异常振动，对人的生命财产安全造成损害。

如何减轻建筑振动？

减轻建筑振动的方法有很多种。

对于风力作用产生的振动，可以在建筑周围安装专门的扰流条，破坏涡流的形成，从而避免风力产生的共振现象。此外，还可以在建筑中安装阻尼器，吸收风力和地基作用力产生的能量，避免共振导致建筑振幅不断扩大，减轻建筑收到的损伤。

△桥梁阻尼器（图片来源：搜狐网）

学术界最近还提出了一种"主动控制系统"的减振方法。这种方法是通过在建筑中安装整体控制的系统，针对外在的作用，产生对应的抵抗力，从而通过力和力之间相互抵消，达到减振的目的。就像是在建筑内藏了一个"拳击手"和外界作用力"互搏"，一拳拳打掉潜在的威胁。

这种系统的减振效果是比较彻底的，但是系统的价格比较昂贵，配置的体量比较大，一般只用于化工厂房等对振动控制要求非常严格的建筑，很少用于民用高层建筑之中。

而在正规的工程中，对建筑进行验收时，都会依照国家规范要求对建筑的振动情况进行检验。只有检验合格之后，才会开放使用。像上海的"楼倒倒"事件，就是建完但还未验收完，在未交付使用的时候发生的。所以大家在买经过正规验收、手续齐全的新房时，不需要担心建筑晃动问题（如果要购买二手房，一定要花时间去现场体验房子的实际居住情况）。

但是，随着建筑年龄日渐增大，周围环境也会发生变化，建筑的振动情况也就可能发生改变，所以，当建筑物真的出现明显的晃动时，一定要尽快离开建筑物，前往安全区域，并及时上报相关部门进行处理。

那什么程度算明显晃动呢？

我们可以给一个参考，高层建筑的限值一般是振动幅度10cm。一般来说，只要人可以清楚感受到建筑晃动，就算明显的晃动。除此之外，还可以将水杯放置在静止桌面上，观察液面是否出现明显波纹，来判断建筑是否发生晃动。

总之，在生活中遇到明显晃动的建筑，一定要尽快离开，保护生命安全。

注：本文中出现的晃动与振动，二者大部分情况下指同一种现象。生活中一般称为晃动，工程中一般称为振动。

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