建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析常見問題和分析

王燕玲

（山西工程職業(yè)學(xué)院， 山西 太原 030000）

建筑是為人們提供居住，娛樂等活動的必要場所，人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都伴隨著建筑的層數(shù)的增加，越是人口眾多的大城市，越是需要提供一些基礎(chǔ)的娛樂活動場所，這些基礎(chǔ)建筑進(jìn)一步壓榨大城市中的土地。為了減少大城市中土地缺乏帶來的壓力，城市中的建筑的樓層越來越高，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)力學(xué)分析能夠幫助建筑建立更高的穩(wěn)定性。

1 建筑的主要結(jié)構(gòu)體系和適用范圍

在當(dāng)前的建筑領(lǐng)域存在很多的建筑結(jié)構(gòu)，這些建筑結(jié)構(gòu)擁有各自的特點，這些特點符合他們的市場的需求，不同的建筑類型需要選擇不同的建筑結(jié)構(gòu)。豐富的建筑結(jié)構(gòu)類型也豐富了當(dāng)今社會的建筑的種類，更加多元化，給建筑施工提供了更多的選擇性。

1.1 框架結(jié)構(gòu)體系

框架結(jié)構(gòu)體系能夠滿足不同的建筑設(shè)計需求，是常見的建筑結(jié)構(gòu)搭建方法。其具體的操作方法是將位于同個平面內(nèi)部的立柱和橫梁借用鋼節(jié)點完成連接。因為建筑框架結(jié)構(gòu)中的梁柱節(jié)點十分復(fù)雜且對于建筑整體效果至關(guān)重要，所以梁柱節(jié)點結(jié)構(gòu)的模板安裝工作變得比一般模板鋪設(shè)工作復(fù)雜。為了降低工作難度可以依托節(jié)點進(jìn)行鋼筋綁扎作業(yè)。在此基礎(chǔ)之上著手進(jìn)行模板安裝工作。注意事項有測量梁柱節(jié)點和樓板尺寸進(jìn)行合理科學(xué)分類編號排序，根據(jù)編號對梁柱節(jié)點的自身數(shù)據(jù)進(jìn)行分析進(jìn)一步落實節(jié)點的模板方案。安裝時可以采用工具式模板進(jìn)行梁柱節(jié)點模板安裝工作。保持鋼筋綁扎加密區(qū)和節(jié)點區(qū)保持同一。還需要讓箍筋的規(guī)格大小可以延伸到支座的直段和彎鉤長短符合相關(guān)規(guī)定。但是在實際操作中很難實現(xiàn)這一點，主要是因為對于梁柱節(jié)點的監(jiān)管不足以及節(jié)點施工使用的技術(shù)和設(shè)備不夠成熟。

1.2 筒體結(jié)構(gòu)體系

在筒體結(jié)構(gòu)體系中，其外圍框架的主要構(gòu)成就是密排柱和深梁構(gòu)成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這種筒體結(jié)構(gòu)的剛度較大，其外部筒體相當(dāng)于懸臂梁的作用，可獨(dú)自承擔(dān)起全部的水平荷載。這種結(jié)構(gòu)由于其框筒結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)能力和抗扭剛度較大，大多數(shù)貿(mào)易中心和大型活動場館都使用的該結(jié)構(gòu)體系。

1.3 鋼-混組合結(jié)構(gòu)體系

這種結(jié)構(gòu)是結(jié)合混凝土和鋼筋的優(yōu)秀特質(zhì)而得到的建筑結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)能夠同時完成承擔(dān)垂直方向和水平方向的荷載。常見的鋼-混組合體系有帶剪力墻的鋼框架結(jié)構(gòu)體系，鋼混凝土核心筒組合，鋼筋混跡凝土外框筒組合體系等形式。這種材料常見且造價不高又能帶來穩(wěn)定機(jī)構(gòu)的建筑結(jié)構(gòu)體系很受歡迎。

2 建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的常見問題

在當(dāng)前的建筑中，建筑的結(jié)構(gòu)影響了建筑的美觀和承重，是整個建筑的靈魂，在進(jìn)行建筑施工之前需要對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，保證整個建筑的承重在符合承重要求的同時盡量的簡潔減少材料的無端損耗，控制整個建筑工程的成本。對當(dāng)前的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中主要存在以下一些常見的問題。

2.1 水平荷載所產(chǎn)生的影響較大

隨著建筑高度的增加，其水平荷載產(chǎn)生的位移及內(nèi)力也隨之增加，這些變化對建筑材料的用量、建筑結(jié)構(gòu)方案的確定以及工程造價等有著決定性的影響。由于建筑結(jié)構(gòu)力的作用，會對下層材料產(chǎn)生擠壓，下層材料的負(fù)荷增加，會使材料發(fā)生水平方向的位移，這個向下的作用力，也會作用到下層，使其內(nèi)力發(fā)生改變。在建筑施工時需要對其水平荷載產(chǎn)生的力進(jìn)行具體分析，根據(jù)各個材料的受力能力和彈性系數(shù)的不同，選擇適合的建筑材料，更改優(yōu)化自身的建筑結(jié)構(gòu)方案，在承重保證的前提下，盡可能地減少工程的造價，提高施工的效率。

2.2 框-剪體系中連系梁剛度減弱

力作用到物體上就會讓物體產(chǎn)生內(nèi)力和位移，在連續(xù)的力的作用下，物體會發(fā)生連續(xù)的位移，受力物體的內(nèi)力和位移的計算一般是按照彈性計算的方法來計算的，在這個過程中，對整個結(jié)構(gòu)采用的彈性剛度應(yīng)一致。在混凝土框架-剪力墻這個特別的結(jié)構(gòu)中，如果按照彈性方法去計算框架和剪力墻之間的連系梁，那么計算得到的彎矩和剪力都會比較大，從而為截面的設(shè)計帶來困難。這種計算的誤差會對截面的設(shè)計產(chǎn)生一定的影響，在這種影響之下，會影響整個建筑的結(jié)構(gòu)，使建筑的受力計算產(chǎn)生誤差。在計算混凝土框架-剪力墻這個特別的結(jié)構(gòu)時，需要在計算時對連系梁剛度進(jìn)行合適的折減，折減系數(shù)一般大于等于0.55.

2.3 等效抗彎剛度

等效抗彎剛度是指當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)體系由于水平荷載所產(chǎn)生的頂點位移和某一懸臂玩去桿件在相同水平荷載作用下產(chǎn)生的頂點位移相等時，那么兩者的抗彎剛度也相同。在后期的簡化分析方法和計算自振周期的過程中，會用到等效抗彎剛度，在建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計算的過程中，由于許多建筑結(jié)構(gòu)存在一定的相似性，因此為了提高計算和分析的效率，有時會對計算過程進(jìn)行簡化，相同等效抗彎剛度的懸臂桿件可以進(jìn)行模型的轉(zhuǎn)化，簡化計算過程，提高計算效率。

2.4 側(cè)向位移限值

由于建筑材料之間的擠壓和各種其他外力，很容易發(fā)生側(cè)向位移的情況，由于情況的普遍性，對于一些比較微小的側(cè)向位移，其實對建筑的整體結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生大的問題，可以忽略。在建筑工程管理中，側(cè)向位移是有一定的限值的，一旦超出這個限值，建筑結(jié)構(gòu)就會變得不穩(wěn)定。超出限值的側(cè)向位移是高層建筑計算時必須重視的問題，建筑必須具備足夠的剛度，以免因為側(cè)面位移過大而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，建筑產(chǎn)生結(jié)構(gòu)開裂、傾覆或是次要結(jié)構(gòu)等破壞的現(xiàn)象。不同高度的建筑的側(cè)向位移限值是不同的，樓層越高側(cè)向位移的限值越低。要限制樓層的側(cè)向位移的發(fā)生需對高層建筑的頂點位移和各層層間的相對側(cè)向位移量進(jìn)行計算限制。

2.5 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照整體計算剪力墻、開口剪力墻、雙肢剪力墻和組合剪力墻等四類剪力墻，都可以使用薄板模型進(jìn)行模擬，該模型沿厚度方向均勻分布載荷，并在薄板平面中進(jìn)行分析。這些區(qū)域可以細(xì)分為有限數(shù)量的幾何形狀。在有限元分析中，將劃分為三角形和四邊形（2D）的簡單形狀稱為元素，并且這些元素通過節(jié)點和公共邊連接。在研究問題的區(qū)域中，這些元素之間的連接稱為有限元網(wǎng)格。在其他文獻(xiàn)中，網(wǎng)格可以分為兩類：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格由幾何上相似的三角形和矩形元素組成，并且特別適用于簡單的形狀和邊界問題。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以大大減少程序的執(zhí)行時間，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以用于邊界復(fù)雜的區(qū)域。這種網(wǎng)格通常易于適應(yīng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀。為了解決這個問題，可以使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散化具有內(nèi)部邊界的復(fù)雜區(qū)域。盡管非常耗時，但非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格仍然適用于局部網(wǎng)格細(xì)化。這項工作的目的是通過在幾何不連續(xù)處使用較小的元素，在其他區(qū)域使用較大的元素來獲得剪力墻框架幾何形狀的高質(zhì)量粗糙網(wǎng)格。

2.6 鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的位移與內(nèi)力分析

在實際的建筑結(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)的分析并不等同于鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的分析，鋼結(jié)構(gòu)體系是由梁、柱構(gòu)件、鋼斜撐、鋼板墻以及兩力桿等構(gòu)成，不同的結(jié)構(gòu)之間可形成不同的結(jié)構(gòu)體系，因而其分析方法較為復(fù)雜。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的過程中不能將兩者一概而論，要注重兩者的具體差別，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，這樣才能保證建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的準(zhǔn)確性，減少建筑結(jié)構(gòu)中因受力問題產(chǎn)生的各種位移和傾斜。這些位移越大，對建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響越大，會影響整個建筑的安全性。

3 建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)常見的分析方法

3.1 基于常微分方程求解器的分析方法

基于常微分方程求解器的分析方法是現(xiàn)階段高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析法中一種相當(dāng)有效的分析方法，這種方法的誤差較低，計算出來的結(jié)果的精度較高，利用方程的方法來進(jìn)行分析求解，計算設(shè)計建筑的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。在使用這種方法對建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)計算時，可以關(guān)注到樓板變成時的動、靜力計算以及穩(wěn)定計算等，具有較高的精度，符合市場的需求，而且計算量較離散化方法大大減少。

3.2 基于有限條法和樣條函數(shù)法的分析方法

有線條法和樣條函數(shù)法是在遇到特定條件情況時，會采用的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，當(dāng)遇到幾何形狀及物理特性沿高度方向較為規(guī)則的情況，可以使用有限條法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，這樣的運(yùn)算方式可以提高計算結(jié)果的精確性。

3.3 基于分區(qū)廣義變分原理與分區(qū)混合有限元的分析方法

分區(qū)廣義需要注意解決彈性的問題。基本操作原理是將彈性合理劃分為余能區(qū)，勢能區(qū)這兩個部分。針對勢能區(qū)使用的位移單位被視為基礎(chǔ)的變量。應(yīng)力單元在余能區(qū)的作用效果則使用盈利函數(shù)進(jìn)行變量表示。當(dāng)兩者的交界處達(dá)到內(nèi)力和位移的相關(guān)要求，可以使用分區(qū)混合有限元完成基本方程的計算。這種適應(yīng)性較強(qiáng)且方式靈活的計算方法能夠有效適應(yīng)托墻梁結(jié)構(gòu)，框支剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3.4 建筑結(jié)構(gòu)彈塑性動力分析方法

彈塑性動力分析法又稱為時程法，能夠?qū)撛诘慕Y(jié)構(gòu)變性進(jìn)行分析預(yù)測，能夠大大減少建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題的可能性，保證建筑結(jié)構(gòu)的偏移在可控的范圍之內(nèi)。但是目前這種方法的實施性較差，相關(guān)的數(shù)據(jù)難以采集和收集，因此很難做到分析的準(zhǔn)確性，也就逐漸被眾人所放棄，在實際的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中很少使用到這種分析方法。

3.5 基于最優(yōu)化理論的結(jié)構(gòu)分析方法

隨著時代的進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)分析方法的種類也日漸增加，還有許多的結(jié)構(gòu)分析方法在原有的結(jié)構(gòu)分析方法基礎(chǔ)上融入了新的理論知識，對建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法進(jìn)行了創(chuàng)新。結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計是當(dāng)前最新適用面最廣的新型分析方法，這種分析方法將飛速發(fā)展的計算機(jī)技術(shù)融入到了建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的實踐中來，這種分析方法可轉(zhuǎn)被動的分析、檢驗為主動的“設(shè)計”。建筑剪力墻的建筑強(qiáng)度非常強(qiáng)，不允許像地下內(nèi)壁一樣進(jìn)行個人鉆孔，否則會破壞建筑物的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計并進(jìn)一步威脅其穩(wěn)定性。剪力墻是建筑結(jié)構(gòu)中的重要阻力因素。用梁、薄板、柱子和其他組件構(gòu)成建筑物的填充墻不是承重組件，而僅用于保持和分隔空間。其次，剪力墻的施工處理與一般墻的處理方法大不相同，剪力墻的內(nèi)側(cè)由混凝土增強(qiáng)筋組合而成，整體結(jié)構(gòu)堅固，補(bǔ)強(qiáng)量和墻體強(qiáng)度有所不同，那是個大問題。通常，低層建筑不需要添加剪力墻，因為它們在施加力時會更穩(wěn)定，而高層建筑（尤其是頂部）更容易受到風(fēng)和地震的影響，剪力墻是必不可少的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

目前，我國的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析還處于逐步的發(fā)展的過程中，還存在著以上提及的一些問題，這些問題需要我國的相關(guān)的建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)人才進(jìn)行研究和分析才能幫助建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)體系的完善和發(fā)展，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計的過程中需要結(jié)合市場對功能和藝術(shù)的需求，進(jìn)行符合結(jié)構(gòu)力學(xué)和建筑美學(xué)的設(shè)計。在建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析階段需要負(fù)責(zé)人根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的實際情況選擇適合的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法。對高層建筑進(jìn)行準(zhǔn)確、合理的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，不僅有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定，而且能為高層建筑結(jié)構(gòu)材料的使用數(shù)量、造價等方面提供理論依據(jù)，從而更好地促進(jìn)高層建筑工程使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益的提高。