建筑物鞭梢效应分析

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[摘 要] 本文首先对鞭梢效应做了介绍，并例举了其本质，分析了鞭梢效应和悬臂结构的区别，然后利用PKPM建模对建筑物进行受力计算分析，最后得出减小鞭梢效应的相应结论。

[关键词] 建筑物；鞭梢效应；分析

【中图分类号】 TU3 【文献标识码】 A 【文章编号】 1007-4244（2014）08-379-1

我国《工程抗震术语标准》（JGJ/T97-2011）中对鞭梢效应的术语解释如下：“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大的现象。”

一、鞭梢效应概述

（一）鞭梢效应本质。在工程抗震实例中，建筑物顶部空水箱和满水箱是有本质区别的，空水箱的质量轻得多，所以其抗侧刚度很小，同时其与大地发生共振的可能性也较大，所以空水箱比满水箱更容易发生鞭梢效应。

（二）鞭梢效应与悬臂结构的区别。很多人认为房屋楼顶类似于悬臂结构（悬臂梁、悬臂板、悬臂柱）的顶端，在受到地震作用时理应水平位移最大。悬臂结构在均布荷载、倒三角形荷载、集中荷载的作用下，其顶部水平位移最大，但是不能片面地去进行受力假设分析。悬臂结构是静定结构，无多余约束，一旦某个截面（一般在支座端部）的应力过大而出现塑性铰，即将由结构变为机构体系而发生倒塌。当柱、梁、板等构件由于某一截面所受弯矩达到其极限弯矩时，则在该截面上即产生塑性铰，该截面能够围绕弯矩做微小旋转。塑性铰和普通铰是完全不同的两个概念，塑性铰能够承受弯矩，其截面能够围绕弯矩方向做微小旋转，但是普通铰不能承受弯矩，构件能够围绕普通铰做任意旋转；此外塑性铰的发生可以根据构件配筋、截面尺寸、混凝土强度等级计算出其极限弯矩，而普通铰则根据构件与构件之间的连接方式或刚度差异进行设置。鞭梢效应和悬臂结构是有本质区别的，在房屋结构产生鞭梢效应时，虽然其顶部的水平位移、振幅等都会剧烈增大，但由于房屋建筑是多次超静定结构，存在多余约束，当受到地震力作用时应对其做动力时程分析，即使房屋建筑中的某些截面出现一些塑性铰甚至发生破坏，也不足以使其变成机构体系而发生倒塌。

二、计算机模拟建筑模型

三幢10层建筑物的形式如下：模型1立面均匀布置；模型2立面从第8层开始向上递减；模型3从第2层开始立面向上减小，但是其上面立面形状相同。建模主要参数如下：在竖向均为地下负一层（层高4m），地上九层（层高3m）；纵向柱距均为5m×10，横向柱距均为5m×2+2m+5m×2；柱截面尺寸均为600mm×600mm，梁截面尺寸均为300mm×600mm，板厚度均为150mm；楼面恒载标准值均取为3.0KN/m2，可变荷载标准值均取为2.0KN/m2，不考虑填充墙的线荷载作用；场地类别均为Ⅱ类，抗震设防烈度均为7度第三组，设计基本地震加速度值均为0.10g，结构抗震等级均为一级；框架柱的混凝土强度级别均为C30，梁、板的混凝土强度级别均为C25；梁、柱主筋和楼板钢筋均采用HRB400级，梁、柱箍筋均采用HPB300级。

三、建筑模型计算结果对比分析

（一）层间最大位移（角）对比分析。建筑模型计算结果对比分析图如下页右图所示。从模型层间最大位移（角）的计算结果和对比图可以看出，各层间最大位移（角）都较小，而且满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011―2010）中对钢筋混凝土框架结构弹性层间位移角的规定：“θ≤[θe]=1/500”。所有模型的顶层都随着地震作用而发生鞭梢效应，即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大的现象，模型3顶部层间最大位移较大。模型1和模型2的层间最大位移角从下到上几乎在不断减小，而模型3的层间最大位移角从下到上在不断增加。

根据层间最大位移（角）的分析，由于模型3的立面从第1层开始向上发生突变，所以其发生的鞭梢效应最为明显。此外，由于模型2的立面从第8层开始逐步向上递减，其发生的层间最大位移（角）接近于模型1，也符合建筑立面的质量、刚度力求沿竖向均匀变化的原则。

（二）层间（加）速度对比分析。模型3由于立面从第1层开始向上发生突变，所以其发生的鞭梢效应最为明显；模型2的立面从第8层开始逐步向上递减，其产生的层间最大位移（角）接近于模型1，虽然模型2在相同楼层中的层间最大位移（角）比模型1较小，但在往上的楼层中模型2的层间速度和加速度比模型1较大，往下的楼层中模型2的层间速度和加速度比模型1较小，说明模型2的顶部发生鞭梢效应的可能性比模型1较明显。

四、结束语

根据上述分析结果，为减小建筑物鞭梢效应，建筑结构设计宜采用平面规则的设计方案，不宜采用不规则的设计方案；对于体型复杂、平、立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置变形缝，形成若干较规则的抗侧力结构单元。设置变形缝将增大混凝土方量和施工工期、工程造价、施工工艺和施工难度，但是对于结构受力和单位面积下的配筋均会减少；如果不规则的结构水平位移无法确定，可以在变形缝两侧加设防撞墙或在结构中采取消能隔震措施以减轻震害。

图1 模型层间最大位移对比图

图2 模型层间速度对比图

图3 模型层间加速度对比图

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.工程抗震术语标准[M].北京：中国建筑工业出版社，2011：25.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2012：14-16.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2010：165-166.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：08-09.

作者简介：谢李（1969-），男，四川简阳人，四川省医药设计院有限公司，研究方向：工业与民用建筑。