框架结构楼顶通信塔鞭梢效应的有限元分析

王元德 刘爱文（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

框架结构楼顶通信塔鞭梢效应的有限元分析

王元德 刘爱文
（中国地震局地球物理研究所，北京 100081）

为了减少工程造价，同时满足信号覆盖要求，通信部门经常将发射塔建立在建筑物的屋顶上。国内多次大地震震害表明，突出屋顶的建筑物震害普遍严重。这是因为地震时，由于建筑物质量和刚度的突变引起了鞭梢效应，造成应力集中，变形很大而产生严重震害。用于信号发射的钢塔在地震中发生损毁后，不仅会带来钢塔本身破坏所造成的经济损失，还会影响大范围面积用户的生活需要。这种组合结构在地震中的震害通常会出现在主体结构与上部钢塔结构的连接处。震害形式通常表现为：上部钢塔在塔底处的构件屈服，整个钢塔倒伏；主体结构顶层出现梁柱的钢筋屈服，保护层脱落。

在实际工程中，通信塔的尺寸通常为十米到数十米之间，结构形式变化范围不大；通信塔下面的建筑物类型和高度变化范围较大。为了说明主体结构的变化对鞭梢效应的影响，用ANSYS有限元软件建立多个模型进行分析和对比。如图1所示，左图为通信塔模型，右图为整体组合结构。上部通信塔结构保持形式不变；主体建筑物采用框架结构的形式，为了便于对比分析，每层均为纵横方向各三跨，每跨间距为3 m的框架，层高为4 m。柱截面均为0.5 m×0.5 m，梁截面均为0.3 m×0.5 m，楼板厚度为150 mm。将建筑物的恒、活荷载以及填充墙的荷载等效折算到楼板上，施加在每层楼板的荷载为7 kN/m2。

图1　ANSYS软件建立的模型

抗震设防烈度为7度，0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为二类，场地特征周期为0.4 s；框架结构的阻尼比取0.05，钢塔的阻尼比取0.02。为了方便对比，将带钢塔的整体组合结构的阻尼比仍取为0.05。采用反应谱法理论计算地震结构响应，依据场地类别、设计地震分组、设防烈度、阻尼比，结合抗震设计规范绘出本模型的地震影响系数曲线，如图2所示，沿水平X方向输入地震加速度反应谱。

图2　地震影响系数曲线

ANSYS程序分析结果表略。当周期比ξ接近于1时，鞭梢效应最为明显，塔底剪力会达到一个很大的值，此时必须通过改变主体结构或者钢塔的结构形式，使得两者的基本自振周期相互避开。当周期比ξ小于1时，底剪力会有一定的折减，鞭梢效应逐渐减弱甚至消失。当周期比ξ大于1时，塔底剪力会有一定的放大，同时由于此时主体结构层数较低，钢塔的增设会使得结构整体质量增加，在地震作用下，主体结构的剪力也会有一个较大幅度的增加，所以需要对主体结构采取适当的加固措施。