通常在较柔软的塔楼下面设置大底盘也可能由于鞭梢效应而加大上部塔楼的地震反应。在方案阶段要采取措施，当大底盘高度占总高度的比例较大（楼层多）时，容易加大鞭梢效应，宜尽量减少下部大底盘和上部塔楼的刚度差；在计算时多取振型数可使计算结果反映出鞭梢效应的影响；一方面采取措施减小鞭梢效应，另一方面构件设计也要有相应措施，例如在鞭梢效应大的部分楼层加大设计内力，加大它们的承载力等。......
2023-08-23
高层建筑结构设计中的鞭梢效应解析
【摘要】：结构竖向刚度不均匀的另一种形式是上部刚度突然减小，加剧了高振型影响，使结构上部变形放大，即所谓的鞭梢效应，严重时顶部结构破坏。1）1976年我国唐山地震中，天津南开大学主楼的破坏明显是由于严重的鞭梢效应所致。天津碱厂蒸吸塔的破坏有很多原因，而沿高度刚度突变是其中的一个原因。首先是由于厂房的框架结构很柔，地基软弱，地震时振动变形大，结构沿高度刚度的变化使鞭梢效应加大。
结构竖向刚度不均匀的另一种形式是上部刚度突然减小（由下至上均匀减小是合理的），加剧了高振型影响，使结构上部变形放大，即所谓的鞭梢效应，严重时顶部结构破坏。
1）1976年我国唐山地震中，天津南开大学主楼的破坏明显是由于严重的鞭梢效应所致。该楼主体为7层框架结构，高27m，上面还有一个塔楼，塔顶高度达到50m。与主体相比，塔楼体型尺寸很小，柱子断面只有24cm×24cm，因此刚度及承载力都很小，造成塔楼刚度突变。唐山地震时，下面主体结构没有损伤，但塔楼向南倾斜约20cm，严重破坏，见图4-29a，在3个月后发生的宁河地震中塔楼完全破坏，见图4-29b。
图4-29 唐山地震后天津南开大学主楼
a）顶部塔楼倾斜 b）最上层塔楼倒塌后的残留塔楼
2）1976年我国唐山地震中位于塘沽的天津碱厂13层蒸吸塔严重破坏，见图4-30。天津碱厂蒸吸塔的破坏有很多原因，而沿高度刚度突变是其中的一个原因。蒸吸塔为现浇钢筋混凝土框架结构，横向2跨，纵向4跨，其中一跨为13层，高54m，顶部还有砖砌的瞭望室，有两跨为12层，高49m，还有一跨为8层，32m，在8层以下还附加了一个刚度很大的楼梯间，平面及剖面见图4-31，中间两跨2～12层没有钢筋混凝土楼板，放了部分木楼板，除底层和顶部瞭望室为24cm厚的实心砖填充墙外，其余均为空心砖砌的填充外墙。该塔为筏式基础，地基软弱，地震前曾经发生不均匀沉降，使结构倾斜，后经处理纠正。厂房内主要设备是蒸吸塔，高47m，与厂房落在同一个基础上，穿过各层楼板。厂房设计时未考虑抗震设防。
地震时顶部7层完全塌落，东北角塌至2层，残留部分基本维持框架原状。破坏的梁、柱等构件没有甩出楼房以外，而是堆积在楼房范围以内。
地震后对该厂房作了详细调查和弹塑性地震反应分析。由调查可见，上部有较完整的梁，但没有完整的柱，构件端部破坏多，上部构件断裂的地方棱角较圆滑，说明构件经过反复变形摩擦作用。梁、柱构件的箍筋很少，间距大约为250～350mm，有的甚至是500mm，节点区完全没有箍筋，由下部没有破坏的构件可以发现混凝土浇筑质量尚好，但钢筋裸露现象严重，表面有腐蚀现象。
图4-30 天津碱厂蒸吸塔严重破坏
图4-31 天津碱厂蒸吸塔结构平面及剖面
据分析，建筑物破坏有多种原因。首先是由于厂房的框架结构很柔，地基软弱，地震时振动变形大，结构沿高度刚度的变化使鞭梢效应加大。厂房第一自振周期1.2s，第二自振周期0.4s，与地基卓越周期0.45s接近，可能加剧了第二振型的作用，使顶部1/3高度产生过大变形，1/3高度恰好是第二振型的反弯点，其下部有楼梯间，其上部刚度减小，也正好是上部塌落楼层的范围。其次是由于结构未按抗震设计，构件的承载力不足，钢箍太少，钢筋受到腐蚀，构件基本没有延性，特别是柱子和节点区，楼层的倒塌是由柱子折断开始的。厂房没有楼板，质量集中在两端和外墙，扭转使角柱破坏较严重。
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