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第３０卷第１期２ ０ １ ２年１月水 电 能 源 科 学Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．１Ｊａｎ．２ ０ １ ２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０１－００８８－０５水电站地面厂房鞭梢效应及抗震分析张汉云，张燎军，李龙仲，胡 森（河海大学水利水电学院，江苏南京２１００９８）摘要：以某水电站地面厂房为例，研究了厂房上部结构在地震中的鞭梢效应，探讨了鞭梢效应的成因和机理，根据水电站厂房的几何构造、受力特点和动力特性建立了整体和局部模型，并采用时程分析法对比分析了不同模型在地震中的动力响应。
结果表明，从基础传来的地震波经厂房下部结构放大后，对上部结构的地震反应影响显著，而上部结构的鞭梢效应也对下部结构的地震响应有一定的影响。
关键词：水电站地面厂房；上部结构；下部结构；鞭梢效应；抗震分析中图分类号：ＴＶ７３１．１文献标志码：Ａ收稿日期：２０１１－０８－０８，修回日期：２０１１－１０－１１基金项目：江苏省普通高校研究生科研创新计划基金资助项目（ＣＸＺＺ１１＿０４４１）作者简介：张汉云（１９８４－），女，博士研究生，研究方向为水工结构抗震，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｈａｎｙｕｎ１１７＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ 在汶川地震水电工程灾害调查中，发现水电工程中的大体积混凝土结构的震损现象较少，以梁、柱、墙结构为主的附属建筑物震损较重［$］。
如紫坪铺水电站厂房主体结构基本无损，上部框架柱出现水平贯通裂缝，主厂房填充墙与连系梁交接处有局部开裂现象，进水塔塔身未见明显异常，但顶部的启闭机房严重受损。
碧口水电站厂房上部结构多处出现贯穿性的水平裂缝。
建筑物的震损严重影响了工程的安全运行，因此研究水电站厂房的抗震安全具有十分重要意义。
水电站地面厂房的整体组成特点和结构的自振特性决定了厂房上部结构由于地震时的鞭梢效应，有可能产生严重的震损，是抗震的薄弱环节［%］。
在以往的抗震设计中，这一现象并未引起足够的重视。
鞭梢效应鞭梢效应（whipping effect），在《工程抗震术语标准》规范中是这样写的：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。
生活中的经验就是当我们拿著长鞭，只要稍微动动握柄，鞭尾部分的震动会很厉害，导致上部结构的「位移」变大。
在工程结构中，通常出屋面的楼梯间、水箱、高耸构筑物等都要考虑鞭梢效应的放大系数。
以下是关于鞭梢效应的原因及原理简介：(1) 结构鞭梢效应发生的原因,主要是由于突出物自振频率与地面运动干扰频率相等或相近。
为了减弱鞭梢效应,不应只盲目的增大突出物的刚度,最有效的方法应使突出物的第一阶自振频率与整体结构低阶频率不要接近地面运动扰频。
(2) 当突出物的第一阶自振频率与地面运动扰频相近时,发生鞭梢效应最为强烈,第二自振频率与扰频相等时,虽能产生鞭梢效应,但其强烈程度要弱得多。
当突出物的第一自振频率与整体结构自振频率相等,且与地面扰频相近时,也能产生较强烈的鞭梢效应。
(3) 当主体结构的某阶自振频率与地面扰频相接近时,只能使主体结构发生共振,而突出物一般不会产生鞭梢效应。
(4) 发生鞭梢效应时,突出部分的位移是主体部分的数倍；虽然发生共振时也能产生较大的位移,但二者是完全不同的。
(5)对于结构来说，鞭梢效应至少应当从两个方面去认识：（一）有鞭梢的鞭子。
当建筑具有一定的高度，有足够的高阶振型，且顶端有刚度突变的附属部分。
在此情况下，顶端的附属部分将会在地震当中受到严重的破坏，这便是通常说到的所谓鞭梢效应。
为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。
（二）没有鞭梢的鞭子。
如顶部没有附属结构，但是当建筑达到一定高度以后，由于高阶振型的贡献，顶部附近的部分主体结构仍受到较大的地震力，这仍然属于鞭梢效应概念的范畴。
高层结构当高阶振型在整个振动中贡献较大时，在高阶振型拐点所对应的楼层处特别容易发生剪切破坏，种破坏严格来说不是单纯的地震荷载很大造成的。
1、影响土层液化的主要因素是什么？影响土层液化的主要因素有:地质年代，土层中土的粘性颗粒含量,上方覆盖的非液化土层的厚度，地下水位深度，土的密实度，地震震级和烈度。
土层液化的三要素是:粉砂土,饱和水，振动强度。
因此,土层中粘粒度愈细、愈深,地下水位愈高，地震烈度愈高，土层越容易液化。
2、什么是地震反应谱？什么是设计反应谱？它们有何关系？单自由度弹性体系的地震最大加速度反应与其自振周期的关系曲线叫地震(加速度)反应谱,以S a（T）表示。
设计反应谱:考虑了不同结构阻尼、各类场地等因素对地震反应谱的影响，而专门研究可供结构抗震设计的反应谱，常以a（T），两者的关系为a（T）= S a（T）/g3、什么是时程分析？时程分析怎么选用地震波？选用地震加速度记录曲线，直接输入到设计的结构，然后对结构的运动平衡方程进行数值积分，求得结构在整个时程范围内的地震反应。
应选择与计算结构场地相一致、地震烈度相一致的地震动记录或人工波，至少2条实际强震记录和一条人工模拟的加速度时程曲线5、抗震设计为什么要尽量满足“强柱弱梁"、“强剪弱弯"、“强节点弱构件”的原则？如何满足这些原则？“强柱弱梁”可有效的防止柱铰破坏机制的出现,保证结构在强震作用下不会整体倒塌；“强剪弱弯"可有效防止脆性破坏的发生,使结构具有良好的耗能能力；“强节点弱构件”，节点是梁与柱构成整体结构的基础，在任何情况下都应使节点的刚度和强度大于构件的刚度和强度。
6、什么是震级？什么是地震烈度？如何评定震级和烈度的大小？震级是表示地震本身大小的等级，它以地震释放的能量为尺度,根据地震仪记录到的地震波来确定地震烈度是指某地区地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度,它是按地震造成的后果分类的。
震级的大小一般用里氏震级表达地震烈度是根据地震烈度表，即地震时人的感觉、器物的反应、建筑物破坏和地表现象划分的。
7、简述底部剪力法的适用范围，计算中如何鞭稍效应。
影响框架结构抗震性能的因素浅析摘要：建筑结构抗震设计在框架结构设计中的地位日益重要，文章对影响工业与民用框架结构抗震性能的因素进行了简要的总结，为了减轻地震对建筑物顶部突出部分的破坏作用及影响，文章通过简要阐释，得出地震荷载作用下，结构的“鞭梢效应”产生的原因和条件，并为结构抗震设计提出建议。
关键词：建筑结构；刚度；延性；主振型；鞭梢效应建筑结构具有很多形式，包括砌体结构、框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、索膜结构、筒体结构等，不同的结构形式，其抗震性能有明显的不同。
建筑的抗震等级一般是由多层和高层钢筋混凝土结构、构件进行抗震设计计算和确定并最终构造措施的标准。
为了抗震设计的安全可靠与经济合理，应充分考虑多方面因素及各种不同情况，并且针对钢筋混凝土结构、构件的抗震要求，在计算和构造上应区别对待。
因此，地震作用越大（或房屋高度越大），抗震要求亦越高；对于不同的结构体系，应有不同的抗震要求。
此外，同一结构中的不同部位以及同一种结构形式在不同结构体系中所起的作用不同，其抗震要求也应有所区别。
例如，在框架结构中，框架是主要抗侧力构件，而在框架一抗震墙结构中，框架是次要抗侧力构件（抗震墙是主要抗侧力构件），因此框架结构中的框架应比框架一抗震墙结构中的框架抗震要求高。
又如，在部分框支抗震墙结构中，框支层由于刚度和强度的削弱，往往成为塑性变形集中的薄弱楼层，因此其落地抗震墙底部加强部位的抗震要求就应高于一般抗震墙的抗震要求。
为此，我国抗震规范和高层规程综合考虑建筑抗震重要性类别、地震作用（包括区分设防烈度和场地类别）、结构类型（包括区分主、次抗侧力构件）和房屋高度等因素，对钢筋混凝土结构划分了不同的抗震等级。
抗震等级的高低，体现了对抗震性能要求的严格程度。
不同的抗震等级有不同的抗震计算方法及相应的构造措施要求，从最高等级四级到一级，抗震要求依次提高；高层规程中还规定了抗震等级更高的特一级。
对于砌体结构，由于整体性比较差，抗震性能较差，对其进行科学的配筋，可有效的提高其抗震性能，但也只限于多层建筑，已经逐渐退出建筑市场。
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。
探讨震区建筑受损的内在原因周果行（长安大学建筑工程学院，陕西西安710061）提要：此次汶川大地震全面检验了我们过去的结构理论、计算方法和设计成果，这是任何一所实验室，任何一次结构实验，都无法比拟的，灾区人民已经为此付出了鲜血和生命的代价。
互联网上有很多震后的照片，客观地反映了现场的实际情况。
即使是灾情最重的北川，也不是所有的房屋都倒塌的。
倒塌自有它倒塌的内在原因，幸存也必定有它能够幸存的理由。
本文试图透过这些照片所展示的现象，探寻其本质的原因，汲取其中的经验教训。
关键词：汶川；震害分析；结构设计大家都知道在震区并不是所有的房屋都倒塌了，俗话说：“苍蝇不叮无缝的鸡蛋”。
倒塌自有它倒塌的原因，幸存也必定有它能够幸存的理由。
灾区人民已经为此付出了鲜血和生命的代价，我们应当珍惜这些来之不易的经验和教训。
感谢前方那些冒着生命危险的新闻记者、战士和志愿者，给我们留下了那么多的珍贵照片，他们如实的反映了震区建筑受损的情况。
我查阅了上千幅新闻照片，并对其中几百幅记录建筑物损毁现象的照片，反复阅读，终于有所感悟。
介绍如下，供大家参考。
虽然很多人都没有到过现场，但可以透过现象看本质。
汶川地震中受损建筑是客观存在，如何解读，仁者见仁智者见智。
让我们共同来汲取其中的经验教训，改进我们今后的设计工作。
一、历史的教训应永久铭记灾区现场，惨不忍睹（图1、2）。
提醒我们在抗震问题上切不可掉以轻心。
图1命在旦夕等待急待救援图2正在上课的孩子我们应牢记历史的教训。
从震区损毁建筑的照片看，和唐山地震造成的灾难如出一辙。
早在1978年《建筑抗震设计规范》就已经按照唐山地震的经验教训进行修订。
遗憾的是人们并没有记住唐山地震的教训，重视不够，贯彻不力。
为了汲取教训，此次新修订的《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223—2008，以人为本，提高了幼儿园、小学、中学等教学用房及医院、影剧院、多层商场等人流密集的公共服务设施的抗震设防标准。
鞭梢效应对抗震减震的影响研究【摘要】系统地探讨了结构产生鞭梢效应的原因, 发现当突出物的基本频率与整体结构的固有频率相同或近似，并与地面扰频相接近时，最易发生鞭梢效应，通过适当调整结构的刚度或质量分布使突出物的频率与整体结构的频率的差值增大，可减少鞭梢效应的影响，从而为结构设计提供更可靠的依据。
【关键词】鞭梢效应固有频率整体结构上部结构引言当建筑物有突出屋面的小建筑（如屋顶间、女儿墙、烟囱、电梯间等）时, 由于该突出部分的质量和刚度突然变小，将产生明显的鞭梢效应.对此，《抗震规范》规定：当计算这类小建筑的地震作用效应时, 宜乘以增大系数3 ，此增大部分不应往下传递；《工业与民用建筑抗震鉴定标准TJ23》规定：将抗震墙面积增大3 倍。
由此结构工程师采用将突出物的结构部分深入主体结构，同时增加突出部分的钢筋，以提高抗震水平.但这些措施都不能从根本上降低鞭梢效应，研究表明有时可能起到相反的作用。
现详细探讨结构鞭梢效应产生的原因及减弱鞭梢效应的措施。
一． 鞭梢效应成因鞭梢效应是指当建筑物受地震作用时，它顶部的小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,就和鞭子的尖一样，这种现象称为鞭梢效应。
在《工程抗震术语标准》规范中是这样写的：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）双自由度体系上部结构的质量及刚度比下部结构的质量及刚度要小很多。
为便于分析，将下部、上部结构分别简化为集中质量21、m m ，刚度分别为21、k k 。
按两个自由度体系，采用无阻尼情况，结构计算简化图见图图1.双自由度结构力学模型运动方程为：g M K M δδδ -=+（1） 其中⎥⎦⎤⎢⎣⎡=21m m M ；⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+=22221k k k k k K ；{}T21δδδ=式中，M 为质量矩阵；K 为刚度矩阵；δ为系统的加速度向量；21、δδ分别为下部、上部结构的位移向量；gδ 为地面运动加速度时程。
令上部结构相对于下部结构的位移为d δ，（12δδδ-=d ），将d δ代入式（1）并简化后得：⎪⎩⎪⎨⎧-=++-=-+gd d gd u δδωδδδδωδωδ 221221211（2） 其中111m k =ω；222m k =ω；12m m u = 式中，21,ωω分别为下部、上部结构的固有频率，u 为上部结构与下部结构的质量比。
当结构受到简谐振动，即当t i e g ωδ= 时，此双自由度体系的响应为⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧-+-+-+--=-+-+-+-=ti ti e u u t e u u t ωωωωωωωωωωωδωωωωωωωωδ2222222122221222222222122221))(()1()())(()1()(（3） 由式（3）知，当上部结构的质量远小于下部结构的质量，即0→u ，若上部结构的固有频率接近地震波的频率时，即ωω→2，则c →1δ且∞→2δ，这即为理想的鞭梢效应。
即当上部结构的质量远小于下部结构的质量，且上部结构的固有频率接近于场地某次地震的卓越频率（随机震动过程中出现概率最多的周期）时，就会产生鞭梢效应，此时下部结构的响应很小，而突出结构的响应很大。
（二）多自由度体系图2所示结构的突出物具有m 个自由度, 主体结构是(n-m)个自由度.由于突出物的质量、刚度均小于主体结构, 两者之间的耦联性较弱, 所以整体结构的自振频率可由突出物与主体结构分别独立计算的自振频率来近似。
于是, 当突出物频率与地面扰频相近时, 实际上也满足了突出物、整体结构频率与地面扰频接近的条件。
现在着重讨论当突出物频率与地面扰频相近时, 突出物能同时发生共振与鞭梢效应这个工程问题。
图2.具有n 自由度结构的力学模型设地面运动位移为t A x g ωsin =, 则图2所示结构的振动方程可写为:t ME A K M ωωδδsin 2=+ （4） 式中：Tn }{21δδδδ= ；TE }111{= ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=n m m m m M321⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+--+--+=--n nnnn n k k k k k k k k k k k k k K 0113322221设t B ωδsin =，并记入下面记号}{21n B B BB=),1,,2,1()(212-=-+=-n i m k k s i i i i ωωnn n m k s 22)(ωω-=于是由式（4）可求出,/02n n n f H g A B ω=(5)[])(})({2111111021i n i ni n i n i i n n n n n n n H g f A f k g m k g m k g m f A B -+-+-------++++=ωω ),1,2,1(-=n i (6),)(112001---+=n n n n n n n H g f k g m H g B B (7) []{}[]}{,)()(111111101122211101in i i n i n i i n n n n n i n i i n i n i i n n n n n i n i n H g f k g m k g m k g m H g f k g m k g m k g m B B ---+--+---+---+--+----+-++++++++()1,3,2(-=n i ) (8) 式中：),()(,1)(),()(,1)(22120212120ωωωωωωn s g g s f f ====⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡------=--i ii i i i s k k s k k s k k s f 000)(113222121ω (9)⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡------=--+-+-+-+-+-n nn n n i n i n i n i n i n i s k k s k k s k k s g 00)(11322212ω),,3,2(n i = (10)[]{}),,2,1()()(011232112n i f m K f m k f m k f m H i i i i i i =++++=---ω(11)对于主体结构具有n 个自由度, 突出物具有m 个自由度的情况, 它们对应的自振频率1ω和2ω分别由0)(21=ωn f 和0)(22=ωm g 求出.根据式(10)是三对角矩阵形式的特点, 由线性代数知识可导出:,1121--+----=m n m n m m n m n f k g f g f (12)当ωωω==21时，即整体结构和突出物的自振频率都与扰频ω相对等时有：0)()(0)()(221222====ωωωωn n m m f f g g (13)于是将式（13）代入（12），得到：0)(21=+-ωm n f (14)将式（14）代入式（8），并令i=m ，则可得到,1m n m n B B --->> (15)可见当突出物一自振频率2ω与整体结构任一固有频率1ω相同, 且又与地面运动扰频ω相近时, 结构最易发生鞭梢效应。
二． 算例分析如图3所示, 主体结构有6个自由度, 突出物有2个自由度.已知42.41=m ，49.42=m ，46.43=m ，50.44=m ，45.45=m ，40.46=m ，118501=k ，10932=k ，99503=k ，78604=k ，65305=k ，47806=k ，(单位:kN/m).地面运动位移:t x g ωsin =, 各阶阻尼均取0 .05 .选取87m m =和87k k =进行数值计算, 应用振型叠加法, 可求得结构动态位移响应, 见表1 .图3.具有8个自由度算例的模型主体结构的六阶频率分别:1123.11-=''s ω1241.29-=''s ω1324.46-=''s ω 1434.61-=''s ω1547.74-=''s ω1324.46-=''s ω表1.结构动态位移响应 s -1表中iω'表示突出物第i 阶频率, i ω''表示主体结构第i 阶自振频率.i ω表示整体结构第i 阶自振频率,θ为地面运动扰频, max 7y 和max 8y 表示突出物最大位移.max 主y 表示主体结构的最大位移.由表1可看出, 当θωω=='11时, 将发生最强烈的鞭梢效应, 而当θωω=''='11时结构虽发生鞭梢效应, 但并不强烈;至于当θωω=='22或θωω=''='22时结构的鞭梢效应较弱；但是当θωω=='21,θωω=''='21时, 产生的鞭梢效应却不容忽视。
三． 结论1.鞭梢效应是当建筑物受到地震作用时，它顶部的小突出部分由于刚度和质量较小在每一来回的转折瞬间形成较大的速度, 产生较大的位移。
2.对突出物的抗震设计单纯应用放大地震荷载的做法不是最佳的，关键是如何避开鞭梢效应。
3.结构鞭梢效应发生的原因，主要是由于突出物自振频率与地面运动干扰频率相等或相近。
4.发生鞭梢效应时，突出部分的位移是主体部分的数倍;虽然发生共振时也能产生较大的位移，但二者是完全不同的。
5.当突出物的第一自振频率与整体结构自振频率相等，且与地面扰频相近时，也能产生较强烈的鞭梢效应，对这一现象必须引起足够重视。
6.当突出物的第一阶自振频率与地面运动扰频相近时，发生鞭梢效应最为强烈，第二自振频率与扰频相等时，虽能产生鞭梢效应，但其强烈程度要弱得多。
7.当主体结构的某阶自振频率与地面扰频相接近时，只能使主体结构发生共振, 而突出物一般不会产生鞭梢效应。
8.为了减弱鞭梢效应，不应只盲目地增大突出物的刚度, 最有效的方法应使突出物的第一阶自振频率与整体结构低阶频率不要接近地面运动扰频。
