鞭梢效应的理解与设计建议.doc

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1、鞭梢效应的理解与设计建议鞭梢效应的理解与设计建议一概念鞭梢效应在规范小的定义为：在地震作用下，高层建筑或其他建（构）筑物顶部细长突出部分振幅剧烈增人的现象。这是因为肖建筑物受地震作用时，它顶部的突出部分由于质量和刚度比较小，在每一个來冋的转折瞬间，形成较人的速度，产生较人的位移，就象鞭子的尖一样“甩动”。二理解事实上，地上的建筑物就是整个人地的“突出物”，塔楼就是人底盘裙房的“突出物”，同样，屋顶的构筑物就是主体建筑的“突出物”，因此所有这些“突出物”的受力和运动过程相对于它们的下部來说都属于鞭梢效丿卫！从这个角度來说，这些设计的本质是共同的，同样，薄弱部位和需要采

2、取的加强措施也是一样的，可以参考人量的震害照片，鞭梢效应的破坏也主要集小于屋顶和突出物的底部区域！所以鞭梢效应的理解和抗震设计在“总体概念”上并无太人难度。本质上可以从地震波传递的角度（能暈）来理解鞭梢效应，当地震波从基岩出发，经过场地土层的滤波和能量积累之后，将以一个放人的振幅传入建筑物，建筑物同样的对地震波进行过滤和放人振幅之后传入顶部的突出物小，而突出物的质量和刚度比相应的下部结构要小很多，因此在接受经过不断放人振幅Z后的地震作用，将产生剧烈的反应（-般比该构筑物直接坐在基础上反应剧烈）。从抗震动力学的角度看，如果建筑物的动力特性与场地土层的动力特性接近，那么

3、建筑物的反丿应将十分显著，同样若建筑物顶部的构筑物其动力特性与下部结构的动力特性接近，那么此构筑物的动力反应也将非常显著，即鞭梢效应强烈。需要特别注意的是：1、虽然下部结构令滤波作用，但是场地动力特性对突出物的影响依然存在，JI有可能很人；2、下部结构若受高阶振型影响较大，那么当主要的高阶振型与突出物主振型接近时，鞭梢效应一般也很人。三，设计建议首先，内力计算。抗震设计规范第5.2.4规定，采用底部剪力法时，突出屋血的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作川效应，宜乘以增人系数3,此增人部分不应往下传递，但与该突出部分相连的构件应予计入；采用振型分解法时，突出屋血部分可作为

4、一•个质点；单层厂房突出屋血天窗架的地震作用效应的增人系数，应按本规范9章的令关规定采用。相应的条文说明：5.2.4对于顶层带有空旷大房间或轻钢结构的房屋，不宜视为突出屋面的小屋并采川底部剪力法乘以增人系数的办法计算地震作川效应，而应视为结构体系一•部分，用振型分解法等计算。IliStmct建议，对于普通的多高层结构，此处的3.0仅可作为动力放人系数來考虑，这是因为屮国抗震设计的理念，对结构的动力放人系数规定采用2.25,而从反应谱理论的角度出发，等效质量高度一般为结构的：3/4处，因此建筑物的顶部动力系数可达3.0,当然动力放人系数与具体的结构平、立血形式，质量和

5、刚度等布置有关系，因此3.0的放人系数，只是一•种半定量和概念意义上的数字，不适川于复杂和超高结构。考虑到由于受到高阶振型的影响，可再放大1.2倍，HiStruct建议对于一般的多高层结构，初步设计将顶部构筑物单独计算的时候M将地震影响系数乘3.6倍左右以反应下部结构的动力放人系数的影响，但是在施工图设计阶段应依据抗震设计规范的要求做整体分析计算。注意：此处3.6只是一个建议，具体结构可根据下部结构（考虑突出物的刚度和质量）的动力特性计算出来。其次，突出物按薄弱层设计。根据抗震设计规范，顶物构筑物一般需要定性为竖向不规则，竖向不规则的抗震设计应采川如下措施：第3.4

6、.3-2条，平面规则而竖向不规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增人系数，应按木规范有关规定进行弹煩性变形分析，并应符合下列要求：1）竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力皿乘以1.25〜1.5的增人系数；2）楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受明承载力不应小于相邻上一楼层的65%（HiStruct注：此条可参考，但65%的规定对于顶部突出物不适用）。可见顶物突岀物与屋顶相连的层丿应该定性为薄弱层,按照薄弱层的概念进行抗震设计，地震力应放人1.15倍，且对永久性的突出物需要进行弹蜩性变形分析以满足人震不倒塌

7、的设计要求，可参考抗震设计规范5.5节。第三，抗震措施。主要：（1）HiStruct建议永久突出物与主体结构相连，其抗震设计等级不应低于主体结构的抗震等级，并且突出物结构在其底层及相邻下部结构顶层应适当加强抗震构造措施。（2）依据抗震设计规范的要求，以相应结构体系（如框架，钢结构等）的概念设置抗震构造措施。最后，概念设计，地震灾害和弹塑性分析表明，顶部突出物的底部在人震作用下层间位移角很容易超过抗震设计规范的要求，从而出现突出物结构倒塌的事故。因此，在概念设计上，对基木振型响应为主的普通多高层结构应将突出物的基木周期与下部结构的基木周期尽量分开，HiStruct