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
鞭梢效应在规范中的定义为：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大的现象。这是因为当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，在每一个来回的转折瞬间，形成较大的速度，产生较大的位移，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大地的“突出物”，塔楼就是大底盘裙房的“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来说都属于鞭梢效应！从这个角度来说，这些设计的本质是共同的，同样，薄弱部位和需要采取的加强措施也是一样的，可以参考大量的震害照片，鞭梢效应的破坏也主要集中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”上并无太大难度。
本质上可以从地震波传递的角度（能量）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，将以一个放大的振幅传入建筑物，建筑物同样的对地震波进行过滤和放大振幅之后传入顶部的突出物中，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大振幅之后的地震作用，将产生剧烈的反应（一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，那么建筑物的反应将十分显著，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、虽然下部结构有滤波作用，但是场地动力特性对突出物的影响依然存在，且有可能很大；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，鞭梢效应一般也很大。
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，突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作用效应，宜乘以增大系数3，此增大部分不应往下传递，但与该突出部分相连的构件应予计入；采用振型分解法时，突出屋面部分可作为一个质点；单层厂房突出屋面天窗架的地震作用效应的增大系数，应按本规范9章的有关规定采用。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用底部剪力法乘以增大系数的办法计算地震作用效应，而应视为结构体系一部分，用振型分解法等计算。HiStruct建议，对于普通的多高层结构，此处的3.0仅可作为动力放大系数来考虑，这是因为中国抗震设计的理念，对结构的动力放大系数规定采用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，当然动力放大系数与具体的结构平、立面形式，质量和刚度等布置有关系，因此3.0的放大系数，只是一种半定量和概念意义上的数字，不适用于复杂和超高结构。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应将地震影响系数乘3.6倍左右以反应下部结构的动力放大系数的影响，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用如下措施：第3.4.3-2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的增大系数，应按本规
范有关规定进行弹塑性变形分析，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应乘以1.25～1.5的增大系数；2)楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪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）。可见顶物突出物与屋顶相连的层应该定性为薄弱层，按照薄弱层的概念进行抗震设计，地震力应放大1.15倍，且对永久性的突出物需要进行弹塑性变形分析以满足大震不倒塌的设计要求，可参考抗震设计规范5.5节。
5.2级地震什么概念第三，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大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，对基本振型响应为主的普通多高层结构应将突出物的基本周期与下部结构的基本周期尽量分开，HiStruct建议T上≤T下/4，同时避开地震波的卓越周期，此时顶部结构的鞭梢效
应一般不大。对于复杂的结构，及高层结构而言，鞭梢效应的放大程度可能达到10倍以上，概念上应将突出物的主要振型与下部结构中对地震响应影响大的几个主要振型尽量分开，同时尽量避开地震波的卓越周期，此时必须对整体结构的动力特性进行研究分析，采取合理的结构方案。
四，备注
大量学者和工程师对鞭梢效应进行的研究，一般来说从详细设计的阶段考虑多建议采用完整的空间模型进行结构分析，包括动力弹性、弹塑性分析以更精确的对鞭梢效应进行分析（需要注意的是静力弹塑性分析不适用）；而从初步设计的角度出发，更希望采用便捷和具有足够安全性的设计方式；但是无论采用什么方式做设计，抗震措施和概念设计必须得到强调.

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