高層建筑結構施工的力學分析

摘 要：隨著城市經(jīng)濟不斷發(fā)展，高層建筑物層出不窮，隨之而帶來的問題就是對高層建筑物的設計問題，本文將對高層建筑物結構施工中的力學問題進行分析，保障施工的合理安全。

關鍵詞：高層建筑結構；施工力學；力學分析

中圖分類號：TU97 文獻標識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）12-0141-01

通過對高層建筑結構施工的調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)隨著高層建筑物的增加，越來越需要我們對高層建筑物的結構施工進行深入的研究，尤其是在施工力學的分析方面。

1 高層建筑結構施工力學簡述

一般情況下，高層建筑在結構設計上的模型是采用建造好的結構，使其在使用的載荷下受力，以此作為計算模型的主要依據(jù)。但在實際操作中，即使是相同的結構，它們在施工中也會在力學狀態(tài)的作用下產(chǎn)生差異。

我們都知道，高層建筑結構具有層數(shù)高、規(guī)模大的特點，使得整個施工過程變得較為復雜。在施工中，沒有建設完整的建筑結構會受到來自不斷變化的施工載荷的影響。因此在對建筑結構進行分析時，以一個已經(jīng)建設好的模型進行力學分析顯然是不科學的。我們來舉個例子，在高層鋼筋混凝土結構中，作為梁板系統(tǒng)，隨著建設樓層高度的增加，新樓層中的新增加的支撐是在之前建造的底部樓層上，整個樓體結構的抗水平部分沒有形成，還會發(fā)生材料剛度以及強度的變化，樓體負荷情況也在發(fā)生著變化，而這些變化都是由一個未形成的框架以及支撐進行，很容易發(fā)生危險。這就需要施工力學對高層建筑結構進行分析，以先行的預算分析確保施工安全。

作為一門新興起來的學科，施工力學有著它特有的特點，它與經(jīng)典的力學不同，它所分析的對象，是隨著時間改變而在不斷變化的，因此，它所分析的對象（包括質(zhì)量陣、剛度陣、阻尼陣）在結構方程上都為時間的函數(shù)。它的目的主要在于反應高層建筑結構在施工工程中不斷變化的實際力學的狀態(tài)，以此來保障施工的安全。

在對建筑物進行施工力學的分析時，我們要按照建筑的實際施工順序都其受力過程進行模擬分析，在分析的過程中及時發(fā)現(xiàn)問題，對實際的施工過程起到指導監(jiān)督的作用。同時，施工力學的分析也包括了對建筑物的拆除工作，按照合理的順序進行拆除，確保人員和財產(chǎn)不受到傷害，也是施工力學分析的一部分。

2 建立施工力學計算模型

通過對高層建筑結構的調(diào)查研究，我們不難發(fā)現(xiàn)，在施建的整個過程當中，建筑結構的邊界約束、載荷以及材料的整體剛度都在不斷地發(fā)生著變化。同時，在施工中產(chǎn)生的誤差同樣會造成位移發(fā)生改變，建筑初期結構會發(fā)生徐變，上層對下層結構發(fā)生的變形沒有任何約束作用，實際下層結構就是上層結構的一個支座。

根據(jù)高層建筑結構這一受力特點，我們采用超級有限元-有限元藕合的方法來對施工的整個過程進行模擬。如，我們利用超級元，也就是Ⅰ區(qū)，對高層建筑結構的初始狀態(tài)（我們稱為ST1）進行結構上的分析，得到超級元與單元構件之間關系，其中包括位移和內(nèi)力。接下來，我們按照有限元，或者說是Ⅱ區(qū)，對建筑物的遞增構件（ST2）進行結構力學分析。隨后我們在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間進行藕合的協(xié)調(diào)工作，去完成在施工過程中不同條件下各個狀態(tài)位移與內(nèi)力的計算與分析，然后我們在以當前的結構ST3為起點，建立起一個新的超級元，新增構件（ST2）按有限元（Ⅱ區(qū)），不斷重復以上操作，直到滿足我們需要。

需要注意的是，遞增構件的設置需要根據(jù)我們實際情況進行，并不是每個遞增構件對應高層建筑的一層結構，它可以由若干個結構構成。

3 超級有限元-有限元藕合介紹

超級有限元，在一些教材與文章中也有稱作綜合有限元的，它是在反應半離散以及半連續(xù)的結合法中一種比較新的方法。若按函數(shù)類型進行劃分，超級有限元基本分為一維、二維和三維3種。按構件的類型進行劃分，它又分為析架、框架和剪力墻等系統(tǒng)。鑒于超級有限元的分析方式類似，本文主要對框架分析進行討論，主要研究它的三維超級元。

首先，我們假設在一個遞增的構件（Ⅱ區(qū)）當中存在若干個構件與超級元（Ⅰ區(qū)）相接觸，我們設定構件個數(shù)為n，接觸面的面積為S，那么根據(jù)最小勢能原理，Ⅱ區(qū)中的n個構件在接觸面上轉化為Ⅰ區(qū)的廣義自由度，可以用算式[K（t）]{δ} + [M（t）]{δ}={F（t）}來表示整個系統(tǒng)，其中剛度K與質(zhì)量陣M為時間t的函數(shù)。

4 時變時的施工力學分析

在考慮時變的情況下，由于剛度的時變能夠引發(fā)內(nèi)部應力的重新分配，因此，在某種程度上會對結構分析造成一定的影響。在工程進度不斷向前推進時，部分構件的內(nèi)力要比在忽略剛度時變時的內(nèi)力數(shù)值要大，需要在建筑結構的設計中引起注意。我們也可以得出以下結論：

（1）在高層建筑結構的施工力學分析中，超級有限元-有限元藕合法是切合實際，十分可行的。由于該方法采用的是等參元位移的模式，因此該方法可以與其他的一些方法（比如有限條法、有限層法等）共同使用，其使用范圍包括任意外形建筑，并可以同時推廣到其他復雜的建筑結構當中去。

（2）隨著建筑高度的不斷增高，采用施工力學的方法與普通的力學方法之間對內(nèi)力分布的分析差異不斷增大，同時，在對剛度相對較小的框架構件進行分析時，施工力學分析方法的內(nèi)力值普遍較小，而剛度大的框架構件，內(nèi)力值又偏大，甚至內(nèi)力的方向發(fā)生改變，其主要原因是在施工進度推進的過程中，建筑結構中的內(nèi)力不斷進行重新分配，作用力之間的約束減小而造成的。可見，在普通的力學分析方法中，是不能得出此現(xiàn)象，容易造成施工安全隱患。

（3）在施工的過程中，混凝土的剛度和強度會隨著時間的變化而發(fā)生變化的，每個過程都存在不同剛度和強度的結構體系，建筑內(nèi)力不斷發(fā)生重新分配現(xiàn)象，框架構件的內(nèi)力變化會對建筑結構的分析產(chǎn)生影響，必須予以重視。

5 結語

從以上的論述我們可以看到，在對高層建筑進行力學分析中，施工的過程對建筑結構的影響也很大，常規(guī)的計算分析方法沒能將施工的因素考慮到其中，容易造成事故，對施工力學的分析在高層建筑中極為重要，但如今仍很缺乏深入地研究，有待于我們進一步地探討。

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