淺析高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，建筑工程逐漸增多，現(xiàn)如今高層建筑已經(jīng)取代了小規(guī)模的建筑并在一定程度上促進(jìn)了我國建筑行業(yè)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)力學(xué)、應(yīng)力及物體側(cè)向移位等知識隨著高度的增加也在不斷地上漲。高層建筑因整體較高，所以側(cè)向移位和應(yīng)力對自身房體的影響較大，嚴(yán)重的還會在一定程度上加大材料及設(shè)計結(jié)構(gòu)的支出情況，所以對高層建筑的設(shè)計規(guī)劃應(yīng)該重視設(shè)計規(guī)劃的科學(xué)性，而不是傳統(tǒng)模式下只重視結(jié)構(gòu)的強度，以至于對之后的施工造成影響。所以，對高層建筑結(jié)構(gòu)體制來說有效的控制成本支出及合理的對力學(xué)進(jìn)行分析是目前的重點。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的特點

首先我國高層建筑占地面積較小，甚至在實際建筑可以在市中心區(qū)域進(jìn)行選址施工，有效的減少了傳統(tǒng)建筑中浪費地面積的情況，且在建筑時用的時間較少，在高層建筑中其可以通過橫豎向安排節(jié)省之后使用人員之間的距離，讓人口集中，有效的溝通交流，提升工作的質(zhì)量。當(dāng)我國建筑工程達(dá)到一定層次和高度時，因建筑之深具有一定的科學(xué)性，其發(fā)揮的功能和經(jīng)濟都是不同的，所以在實際設(shè)計中相關(guān)人員應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)氐那闆r制定設(shè)計的內(nèi)容，合理的進(jìn)行布局，在提升安全系統(tǒng)的同時，充分地發(fā)揮建筑功能。

在對高層建筑進(jìn)行設(shè)計時，首先要重視設(shè)備和電氣的使用，相關(guān)設(shè)計師要結(jié)合建筑預(yù)定的目標(biāo)和功能進(jìn)行設(shè)計，如在設(shè)計建筑自身供暖和排水時，要根據(jù)建筑的高度和寬度對管道的壓力選擇良好的施工材料，提升其耐用性。在設(shè)計通風(fēng)系統(tǒng)時，設(shè)計師要考慮風(fēng)力設(shè)備對建筑內(nèi)部造成的影響，如在風(fēng)力增大時相關(guān)空氣壓力及熱氣壓力也會發(fā)生一定變化，且這些變化會對之后計算散熱量造成影響。最后設(shè)計師要重視消防系統(tǒng)，避免出現(xiàn)問題無法及時的控制，且對供水系統(tǒng)要根據(jù)樓層的布局合理的進(jìn)行設(shè)計，避免對之后對結(jié)構(gòu)分析造成影響?，F(xiàn)如今，在對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，相應(yīng)該確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性，并在設(shè)計時對建筑的寬、高、長等嚴(yán)格的規(guī)劃，避免在受到巨大自然災(zāi)害是對建筑側(cè)向力造成影響，其次要重視建筑的立面和平面的對稱，減少建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱點，當(dāng)受到外力侵襲時造成不可逆的后果。最后對于一些地質(zhì)較深的地方相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)制定問題方案，保證在之后施工過程中能對一些自然沉降造成的建筑變形進(jìn)行處理，確保施工的安全性和標(biāo)準(zhǔn)性。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)體系及使用范圍

2.1.鋼筋混凝土及鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

首先鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是我國高層建筑工作中常見的結(jié)構(gòu)體系，其剪力墻結(jié)構(gòu)又叫橫向建筑水平力承擔(dān)實體墻體，其不僅能由框架進(jìn)行支撐還能直接站立在基礎(chǔ)上，從而適應(yīng)大空間的需要，其也被叫為結(jié)構(gòu)墻。對剪力墻來說其不僅與建筑的連接性較高，截面也比較大，由于剪力墻的抗側(cè)能力比傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量較高，其被廣泛的用于高層建筑工程中，如我國使用混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑有高層房屋、大型酒店等。其次對鋼筋混凝土的框架來說剪力墻結(jié)構(gòu)體制是由剪力墻自身和混凝土框架一起承擔(dān)建筑橫縱向水平及抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，此外應(yīng)用混凝土框架可以獲得和剪力墻一樣的優(yōu)點，在實際工作中其不僅對框架布置較為靈活，其抗側(cè)力也較高，得到了建筑工程的廣泛好評，對于鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)來說，目前其大多應(yīng)用于寫字樓、學(xué)校等建筑中。

2.2.鋼混、框架及巨型結(jié)構(gòu)

鋼混結(jié)構(gòu)體系通俗來說就是由混凝土結(jié)構(gòu)和剛結(jié)構(gòu)融合組成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系，其最常見的組合就是鋼筋混凝土外框筒組合、鋼筋混凝土核心筒組合、剪力墻鋼框架結(jié)構(gòu)、剪力墻鋼框架結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土核心筒融合組合體系，且以上幾種結(jié)構(gòu)可以有效地提升豎向上、抗水平的能力。對框架結(jié)構(gòu)來說其主要是在一個固定平面內(nèi)將豎柱和橫梁的水平面連接起來，形成一種新的體系，且這種組合布置結(jié)構(gòu)較為靈活，大多屬于桿系結(jié)構(gòu)，多用于建筑面的內(nèi)外墻，適合一些樓層較低的醫(yī)院、酒店和學(xué)校辦公樓等。最后對框架結(jié)構(gòu)來說，顧名思義就是由很多個大型的豎向支撐結(jié)構(gòu)及梁式樓層融合形成的一個大型框架結(jié)構(gòu)，最著名的代表建筑就是廣東的亞洲大酒店。

2.3.簡體結(jié)構(gòu)

對簡體結(jié)構(gòu)的外圍框架來說，其主要就是由深梁和密排柱兩者構(gòu)成的一種網(wǎng)格機構(gòu)，這種簡體建構(gòu)因自身剛密度較大，其簡體自身可以直接用于懸臂梁中，可以單獨承載全部的水平荷載。其次簡體建構(gòu)自身可以分為幾個內(nèi)容：簡中簡結(jié)構(gòu)、簡體框架結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)及銜架式簡體結(jié)構(gòu)，從這幾種結(jié)構(gòu)來看，簡中簡結(jié)構(gòu)是將兩個以上的筒體融合形成一種豎向的城中結(jié)構(gòu)模式，這種模式在荷載下的受力較強，同等于混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)。對簡體框架結(jié)構(gòu)來說，其主要的表現(xiàn)是雖然建筑外框的架柱較大，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)較穩(wěn)，其使用的核心是剪力墻，抗側(cè)能力較強?？蛲步Y(jié)構(gòu)對于抗扭和抗側(cè)的剛度較強，適合一些需要大場地、人員較多的地點。銜架式簡體結(jié)構(gòu)主要是通過一定的大斜面和建筑工程四周的外柱進(jìn)行連接，以此承擔(dān)大部分建筑的剪力，且斜面的承受力是豎向的，所以應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)可以有效地延緩和消除剪力帶來的影響，最后對于簡式結(jié)構(gòu)來說，其是由多種框筒融合形成的一個結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)可以有效的抵抗彎力、剪力帶來的影響。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的問題

首先就是高層建筑結(jié)構(gòu)分析中的等效抗彎剛度，對我高層建筑來說，其在后期簡化分析方式及計算自振周期中，會在一定程度上用到抗彎剛度，抗彎剛度總體來說就是當(dāng)高層建筑的結(jié)構(gòu)因為水平荷載的影響出現(xiàn)了頂點位移問題和某個懸臂桿因為水平荷載的影響出現(xiàn)頂點位移情況時，兩者的抗彎度相等，且這時候懸臂桿的抗彎度等同于等效抗彎度。第二對于剪力墻框架中剪力墻體系的翼緣有效寬度來說，其橫縱剪力墻的框架互相連接是在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中的問題之一，當(dāng)出現(xiàn)此類問題時，相關(guān)工作人員應(yīng)該充分地對自身建筑進(jìn)行檢查，并將縱墻的部分作為橫墻的翼緣，相反也是同樣狀況，最后當(dāng)剪力墻和柱裝配連接成功，則就不用考慮翼緣帶來的好處了。第三，對高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析相關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)位移情況，目前來看在我國高層建筑結(jié)構(gòu)中，相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果并不等于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，且高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)一般是由梁柱構(gòu)建及鋼墻和鋼斜撐為主組成的內(nèi)容，不同結(jié)構(gòu)、不同組成之間可以變成不同的結(jié)構(gòu)內(nèi)容，所以對于此類方式進(jìn)行分析較為困難和復(fù)雜。

第四，水平荷載產(chǎn)生的因素對我國高層建筑的影響較大，隨著社會快速發(fā)展，人們的經(jīng)濟逐漸提升，建筑也逐漸興起，打破了傳統(tǒng)建筑中想都不敢想的高度，且在此類過程中，水平荷載產(chǎn)生的位移和內(nèi)力問題也逐漸顯現(xiàn)出現(xiàn)，如果出現(xiàn)此類問題將會對整體高層建筑工程造價、材料的使用情況及最終的規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案都容易造成一定影響，對于剪應(yīng)力分布不均的情況來說，在我國高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中常常會碰到剪應(yīng)力數(shù)據(jù)分配不均的問題，如在建筑中考慮翼緣的寬度將會呈現(xiàn)不同形式的剪力墻截面等。第五，在高層建筑中簡體結(jié)構(gòu)聯(lián)系梁剛度較弱，目前來看，我國建筑中對于位移和內(nèi)力的計算大多是彈性計算方式，在此類過程中，整體結(jié)構(gòu)使用的彈性剛度一樣，在實際的混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)中，如果按照傳統(tǒng)方式中彈性的方式對框架和剪力墻之間的連系梁進(jìn)行計算，那么最終彎力及剪力的數(shù)據(jù)計算內(nèi)容將比較大，從而為之后建筑截面的設(shè)計造成一定的影響。所以在實際建筑計算時，相關(guān)人員應(yīng)該對連系梁的剛度適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行縮減，但減少的具體數(shù)字要按照標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。最后就是對于側(cè)向移位較限制，側(cè)向移位是我國高層建筑計算中的重要問題，且高層建筑必須要對剛度進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)定，降低因建筑側(cè)面位移所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)開裂及對結(jié)構(gòu)造成破壞的現(xiàn)象出現(xiàn)，所以在實際高層建筑中相關(guān)人員要對頂點位移及側(cè)向位移進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)定和限制。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)中常用的力學(xué)分析方式

4.1.優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析及彈塑性動力分析

首先對優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析來說，其主要是將目前先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)計算機技術(shù)及數(shù)學(xué)理論方式結(jié)合，從而形成的一種設(shè)計方式，使用這類結(jié)構(gòu)分析方式可以更好的對高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行分析，優(yōu)化傳統(tǒng)的分析方式將原來檢驗分析轉(zhuǎn)為規(guī)劃設(shè)計分析，通俗來說就是通過此類方式對建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗和規(guī)劃。此外使用最優(yōu)化結(jié)構(gòu)分析可以對高層建筑結(jié)構(gòu)力分析打下一個基礎(chǔ)，并讓小重量材料產(chǎn)生大剛度。其次對彈塑性動力分析來說，我國近幾年建筑中對其的使用和研究較多，并得到了廣泛的好評，但目前來看，彈塑性分析還存在一定不足，如在實際的高層建筑施工中對于一些參數(shù)數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確的收集，其中最具代表性的難收集數(shù)據(jù)就是對高層建筑未知的歷史震動強度數(shù)據(jù)。

4.2.分區(qū)混合有限元及分區(qū)混合廣義的分析

目前來看，快速發(fā)展的分區(qū)混合廣義分析方式主要是因為非協(xié)調(diào)元和雜交元的發(fā)現(xiàn)技術(shù)，且分區(qū)混合有限元分析方式是目前出現(xiàn)的新型分析方式之一，此類分析方式可以針對分析對象的不同區(qū)分為兩個不同的類型，如余能區(qū)和勢能區(qū)，首先余能區(qū)的計算方式是對于應(yīng)力單元來計算的，在每個計算點通過函數(shù)作為主要方式以此為求解提供未知因素，而勢能區(qū)是對于唯一的單元來進(jìn)行的，并在每個計算的節(jié)點將位移產(chǎn)生的量度作為求解的因素。以上這兩個區(qū)之間的交接是增加額外的能量元素項，且其保證位移和應(yīng)力相互的約束條件就是通過積分來計算?，F(xiàn)如今使用分區(qū)混合機有限元分區(qū)混合方式可以有效地對我國高層建筑的結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行分析，且其還具有一定的收斂性及便捷性，此外我國大多數(shù)高層建筑中都在使用此類方式，并得到了廣泛的好評，其不僅可以計算各個墻壁的應(yīng)力集及托墻梁的承重情況，還能計算相關(guān)支撐墻壁的剪切力等問題。

4.3.有限條、樣條函數(shù)及常微分方程求解器分析

首先在高層建筑結(jié)構(gòu)分析中使用有限條分析可以有效解決高層建筑中某些位置存在的幾何形狀問題，且有限條分析方式的計算較為簡單，針對幾何形狀的規(guī)則結(jié)構(gòu)使用的是多元化的方式，幾何結(jié)構(gòu)非規(guī)則則是根據(jù)相關(guān)條件創(chuàng)建函數(shù)。在使用有限條方式對高層建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)進(jìn)行分析時，要選擇適合的求解模式、物理常數(shù)及函數(shù)。此外樣條函數(shù)分析方式屬于多段式分析，相比有限條分析，其對于函數(shù)位移曲線的融合連接較為圓潤，所以樣條函數(shù)具有求解較快、穩(wěn)定性連續(xù)性較強的那個特點，且其在我國高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中得到了廣泛的使用并獲取了一致的好評。其次對常微分方程求解器來說其適應(yīng)性相比以上兩個方式較強，能最大程度滿足使用人員的要求。在高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中應(yīng)用此類方式可以將樓板的變形方式計入求解過程中，保證分析的結(jié)果，和傳統(tǒng)離散分析方式進(jìn)行對比，傳統(tǒng)的求解速度會因計算的內(nèi)容變多而變慢，無法發(fā)揮出高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的價值。

5 結(jié)束語

由此可見，隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，城市化建設(shè)逐漸提升，高層建筑已經(jīng)成為了社會發(fā)展一個必要。目前來看，我國對于高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析還在使用傳統(tǒng)的計算模式，其已經(jīng)無法滿足高層建筑的藝術(shù)及技術(shù)功能的融合需求，所以相關(guān)工作人員在實際工作中要根據(jù)自身建筑結(jié)構(gòu)的情況選擇適合的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方式，從而促進(jìn)我國高層建筑持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。