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鞭梢效应

 逸心茶舍 2017-05-23

看了楼上各位朋友对于鞭梢效应的见解,本人在此发表一些自己的不同看法。

不知各位朋友甩过农村赶车的鞭子没有,为什么鞭子能够甩响呢?这里有两个基本条件。1)整个鞭子本身必须以非常快的速度抖动;2)鞭子的端部必须有一段很细的尾巴,通常称之为鞭梢。当鞭体的波动能量传播到鞭梢时,由于反射作用,再加上鞭梢质量的突然减小,使得鞭梢的振动幅度和振动速度大大加快,从而引发空气的剧烈振动,产生清脆的响声。如果鞭子的端部没有很细的鞭梢,这时鞭子很难甩响,但鞭子端部的振动依然很强。

但是,对于结构来说,鞭梢效应至少应当从两个方面去认识。
(一)当结构具有一定的高度,以便激发出足够强度的高阶振型,并且结构的顶端有刚度突变的附属部分。在这种情况下,顶端的附属部分将会在地震当中受到严重的破坏,这便是最常说到的所谓鞭梢效应。在这种情况下,鞭梢效应的含义就是指高层结构顶部的附属结构在地震当中发生破坏严重这样一种现象。因此,为了避免鞭梢效应的发生,就不要在高层结构顶部建造刚度突变的结构。这种情况类似于有鞭梢的鞭子。
(二)如果顶部没有附属结构,但是当结构达到一定高度以后,由于高阶振型的贡献,仍然能够使得顶部附近的部分主体结构感受到较大的地震力,其实这仍然属于鞭梢效应概念的范畴。因此,在进行结构抗震设计时,必须考虑这种情况,针对顶部附近采用适当增加的地震荷载进行抗震设计。这正是规范中对于高度超过40米的结构,其顶部附近增加部分地震荷载这一计算公式产生的真正原因。这种情况类似于没有鞭梢的鞭子。

但是,有一点必须注意,无论是高层结构,还是孤突的山包,不论其顶部有没有其他附属结构,他们自身在地震当中的振动依然是很强的。特别是高层结构,当高阶振型在整个振动中贡献的比例比较大时,在高阶振型拐点所对应的楼层处特别容易发生严重的剪切破坏,甚至在破坏之后被上部结构完全压垮。不过,这种破坏严格来说不是单纯的地震荷载很大造成的。

楼顶放置水箱则属于另外一个问题。如果水箱没有和结构连成一个整体,而是靠摩擦力与结构发生水平相互作用,那么当地震发生时,水箱就会在结构的顶端滑动,由于水箱的滑动与结构的振动不同步,所以还会起到一种减震的效果。

规范的制定是为了便于大部分设计人员的使用,不可能编制的太复杂,特别是对于抗震设计,牵扯的结构动力学概念很多,所以,通常情况下对于普通结构采用第一振型就足够了。当结构超过一定高度,必须考虑高阶振型的影响,也就是鞭梢效应的影响时,规范在底部剪力法中规定了顶部地震荷载的修正方法,对底部总的地震荷载实施再分配,不过总的地震荷载并没有改变。

 

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