框架結(jié)構(gòu)樓頂通信塔鞭梢效應(yīng)的有限元分析

王元德 劉愛文（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

框架結(jié)構(gòu)樓頂通信塔鞭梢效應(yīng)的有限元分析

王元德 劉愛文
（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

為了減少工程造價，同時滿足信號覆蓋要求，通信部門經(jīng)常將發(fā)射塔建立在建筑物的屋頂上。國內(nèi)多次大地震震害表明，突出屋頂?shù)慕ㄖ镎鸷ζ毡閲?yán)重。這是因為地震時，由于建筑物質(zhì)量和剛度的突變引起了鞭梢效應(yīng)，造成應(yīng)力集中，變形很大而產(chǎn)生嚴(yán)重震害。用于信號發(fā)射的鋼塔在地震中發(fā)生損毀后，不僅會帶來鋼塔本身破壞所造成的經(jīng)濟(jì)損失，還會影響大范圍面積用戶的生活需要。這種組合結(jié)構(gòu)在地震中的震害通常會出現(xiàn)在主體結(jié)構(gòu)與上部鋼塔結(jié)構(gòu)的連接處。震害形式通常表現(xiàn)為：上部鋼塔在塔底處的構(gòu)件屈服，整個鋼塔倒伏；主體結(jié)構(gòu)頂層出現(xiàn)梁柱的鋼筋屈服，保護(hù)層脫落。

在實(shí)際工程中，通信塔的尺寸通常為十米到數(shù)十米之間，結(jié)構(gòu)形式變化范圍不大；通信塔下面的建筑物類型和高度變化范圍較大。為了說明主體結(jié)構(gòu)的變化對鞭梢效應(yīng)的影響，用ANSYS有限元軟件建立多個模型進(jìn)行分析和對比。如圖1所示，左圖為通信塔模型，右圖為整體組合結(jié)構(gòu)。上部通信塔結(jié)構(gòu)保持形式不變；主體建筑物采用框架結(jié)構(gòu)的形式，為了便于對比分析，每層均為縱橫方向各三跨，每跨間距為3 m的框架，層高為4 m。柱截面均為0.5 m×0.5 m，梁截面均為0.3 m×0.5 m，樓板厚度為150 mm。將建筑物的恒、活荷載以及填充墻的荷載等效折算到樓板上，施加在每層樓板的荷載為7 kN/m2。

圖1　ANSYS軟件建立的模型

抗震設(shè)防烈度為7度，0.15g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為二類，場地特征周期為0.4 s；框架結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05，鋼塔的阻尼比取0.02。為了方便對比，將帶鋼塔的整體組合結(jié)構(gòu)的阻尼比仍取為0.05。采用反應(yīng)譜法理論計算地震結(jié)構(gòu)響應(yīng)，依據(jù)場地類別、設(shè)計地震分組、設(shè)防烈度、阻尼比，結(jié)合抗震設(shè)計規(guī)范繪出本模型的地震影響系數(shù)曲線，如圖2所示，沿水平X方向輸入地震加速度反應(yīng)譜。

圖2　地震影響系數(shù)曲線

ANSYS程序分析結(jié)果表略。當(dāng)周期比ξ接近于1時，鞭梢效應(yīng)最為明顯，塔底剪力會達(dá)到一個很大的值，此時必須通過改變主體結(jié)構(gòu)或者鋼塔的結(jié)構(gòu)形式，使得兩者的基本自振周期相互避開。當(dāng)周期比ξ小于1時，底剪力會有一定的折減，鞭梢效應(yīng)逐漸減弱甚至消失。當(dāng)周期比ξ大于1時，塔底剪力會有一定的放大，同時由于此時主體結(jié)構(gòu)層數(shù)較低，鋼塔的增設(shè)會使得結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量增加，在地震作用下，主體結(jié)構(gòu)的剪力也會有一個較大幅度的增加，所以需要對主體結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?/p>