低层建筑的鞭梢效应-浅议汶川地震中几种震害认识（二）
1 低层建筑的鞭梢效应
鞭梢效应是结构专业经常使用的地震作用词汇，其定义为：在地震作用下，高层建筑或其他建（构）筑物顶部细长突出部位振幅剧烈增大的现象。具体表现为建筑物顶部存在突出部分，该部位的结构质量和刚度与下部主体结构相比较小，形成软弱的“鞭梢”，地震波动过程中，建筑物在摆动方向转换瞬间，突出部位在惯性作用下继续按原来运行轨迹发展，而下部主体结构已经朝相反的方向摆动，突出部位形成较大的加速度，导致突出部分地震作用迅速增加，从而形成结构薄弱部位。
由于该类破坏集中于建筑物顶部或外围，其对人员生命和财产损失威胁较为间接，在客观上容易造成对该部分的忽视，这主要表现为在规范上是建议处理，在教学中多关注于下部主体安全性，鞭稍效应作为一种常见的、影响不大的震害表现来介绍，案例讲解中多以大型、高层建筑作为案例，突出部位比例很小，相应的研究分析也较为充分，在相应的设计中，下部结构往往不减少截面延伸至突出顶部，这样抗剪截面充足，鞭稍效应导致的破坏就会减少很多。但在这次地震中，由于震区大型、高层建筑较少，鞭稍效应震害多集中于低矮建筑上，这些突出物的特点是体形相对较大，层数较多，为满足建筑造型需要，设计成“楼上塔”结构。还有一些电信塔架设在三、四层楼上，以“柔弱”的框架身躯支撑“刚强”的电信塔架，塔架没有地震破坏迹象，而下部楼房则因鞭稍效应产生震害。
图1是典型的鞭稍效应震害案例，地震中顶部甩动位移过大，人员从塔上掉落。通过图片可以看出突出部位的下部主体楼层属于建筑物平面端部，已属于位移较大部位，为满足建筑造型进行二层以上立面收紧，属于刚度突变楼层，这部分框架柱间设置建筑墙体，客观上增加该侧向刚度，上部小塔楼为空旷框架，刚度急剧减弱，地震中小塔楼底层框架柱全部剪断，整体倾斜严重。该建筑物为框架结构，地震中主要发生柱间砌块填充墙剪切破坏，框架部分保持较好，属于“中震可修”状态。但由于塔楼的破坏，给震后修复工作带来很多难题，上部塔楼属于倒塌范围，应进行拆除。如何安全拆除是修复工作的第一步，拆除又面临几个问题，首先是拆除方法和工序错误都会给下部结构主体造成二次伤害，其次是如果采用人员零星拆除工作危险性较大，再次是建筑残体需要大型机械支撑，在城市里道理条件较好可以顺利进入，很多山区和农村建筑受道路限制，给后期工作带来很多困难。从拆除角度出发，也应重视鞭梢效应的破坏性。
当突出部位的基本频率与整体结构的固有频率接近，并与地面扰频接近时，容易发生鞭梢效应。如果调整好凸出部位与主体间质量和刚度间关系，就可以减少鞭梢效应的影响。相对而言图1中这类建筑更容易发生固有频率接近的情况，这类建筑受造型方案影响较大，建筑师对结构尺寸都会有要求，结构专业在方案、柱截面调整的范围较小，如果不能很好地预估地震反应，采取相应加强措施，就很难避免震害发生。在设计过程中，由于楼层层数不多，很容易在思想上对设计标准予以降低，在实际计算上予以简化处理，结构人员如果遵从抗震规范[1]以下几点指导，就可以最大限度的较少鞭梢效应造成的地震破坏：
1.1竖向不规则定义中，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%时，作为薄弱层的地震剪力应乘以1.15的放大系数。这个建议对于多层鞭梢效应意义不大，因为突出部位的地震作用是整体性放大，而不仅是突出部位底层地震作用放大；设计人员应根据这个尺寸标准来确定楼层薄弱部位；
1.2底部剪力法中，突出屋面的结构，其地震作用效应宜乘以增大系数3。规范建议主要针对一层突出物的情况，如屋顶间、女儿墙等非主要结构构件；但这个数字可以让结构师在专业配合时有较为清晰的初步认识，从而向建筑师提出合理的结构建议；
1.3关于地震作用效应增大系数可以参考非结构构件这一章，采用等效侧力法计算中F=γηζ1ζ2αmaxG这个公式很有指导意义，条文说明里有较为详细的说明。对这部分有较为深刻的理解后，结构师应该明确此类建筑的难点所在；
1.4这类不规则结构在计算方法上，相比规则多层建筑要严格，应采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法进行罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形计算，严格控制突出部位的弹塑性层间位移角要满足倒塌位移角限值要求。在初步设计中可以参考规范推荐的简化方法来确定方案的可实施性。这一点对于结构专业实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计目标提供重要的计算依据。