高层建筑结构设计中的鞭梢效应解析

2025-09-30 理论教育版权反馈

【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）2025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）2025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。(https://www.chuimin.cn)

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。

高层建筑结构设计中的鞭梢效应解析

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