高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析常見問題及分析方法

陳鑫嶺

摘? ? 要：現(xiàn)如今，我國的城市化的發(fā)展正在如火如荼的進(jìn)行著，進(jìn)城生活的人多了，高樓大廈也變多了。雖然這是一種可喜的現(xiàn)象，但是依舊存在著一些隱藏的隱患。因為土地資源很緊張，很多傳統(tǒng)的樓房被高層所取代。但是高層達(dá)到一定高度時，它的側(cè)向位移和內(nèi)力也會增加，這對于其建設(shè)體系和材料的用量有著不利的影響，直接地，就會影響居民的日常生活。本篇文章對高層建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)分析常見問題及分析方法進(jìn)行詳細(xì)解讀，以便確保高層建筑本身的穩(wěn)定性，也讓普通居民的生活沒有安全隱患，讓他們過得舒心。

關(guān)鍵詞：高層建筑;結(jié)構(gòu)力學(xué)分析;分析方法

1? 前言

現(xiàn)如今，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展勢頭非常好，同時，城市的建設(shè)也在如火如荼的進(jìn)行中。但是這其中也有需要我們多加注意的問題。比如，大城市的人口數(shù)量是巨大的，而土地資源確實固定的、有限的。在世界建筑的發(fā)展是上，高度最高的建筑是王國大廈，其有1007m，這是直接上唯一的的高度超越一千米的建筑物，并且，現(xiàn)在這座建筑物仍然處于施工中。第二高的就是哈利法塔，處于阿聯(lián)酋迪拜，高度為838m，每年都有很多人特意來觀光這座建筑物。第三高樓是武漢綠地中心，高636m。是集休閑、娛樂、辦公、生活于一體的高層建筑。它也在建設(shè)中。

2? 何為高層建筑

高層建筑在不同國家是有不同的標(biāo)準(zhǔn)。以美國為例子，只有達(dá)到24.6m 以上或是超過7層的建筑被稱為高層建筑;而在英國，超過24.3m即可。就中國而言，高度超過27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的非單層廠房、倉庫或其他民用建筑就被稱為高層建筑。按層數(shù)可分為四類：第一類是低層住宅建筑（1-3層），第二類是多層住宅（4-6層）、第三類是中高層住宅（7-9層）、第四類是高層住宅（10層及以上）。

3? 高層建筑的特點

高層建筑的主要特點是：一是建筑面積小。以沈陽市渾南區(qū)太一尚園社區(qū)為例，一棟樓分為兩個單元，27層，每個單元有4戶，共216戶。按每戶平均居住3人計算，一棟樓可滿足648人的居住需求，是傳統(tǒng)的7層高層復(fù)式住宅的三倍，總建筑面積不到一半。二是投資少，周期短。第三，在一些商住高層建筑或商業(yè)高層建筑中，如果相互靠近，可以設(shè)置高層連接通道，大大縮短出行時間，提高出行效率。

4? 高層建筑的設(shè)計要點

4.1? 建筑方面

在建筑設(shè)計這一方面，也有很多設(shè)計人員應(yīng)該注意點：第一，要將防火的間距增加，這樣就可以避免陽關(guān)的干擾，也要合理的設(shè)計相應(yīng)的疏散通道和停車區(qū);第二，按規(guī)范要求，在進(jìn)行多層重復(fù)建筑布局統(tǒng)一，我們不僅僅要要滿足高層建筑應(yīng)該必須具備的功能要求，還要滿足建筑主體結(jié)構(gòu)、電氣配線區(qū)、設(shè)備管線、消防疏散等豎向設(shè)計技術(shù)要求;第三，對于建筑的豎向交通中心也要布置的合理，這樣對于使用質(zhì)量和消防安全也是一個很好的保證;第四，由于有時候會發(fā)生地震、風(fēng)力、溫度變化，所以設(shè)計建筑物內(nèi)外的結(jié)構(gòu)、裝修、材料和施工方法時，一定要將這些因素考慮進(jìn)去，防止變形或相關(guān)安全問題;第五，在建筑設(shè)計中，建筑藝術(shù)也是設(shè)計師必要考慮的，因為這代表了建筑本身在城市和群體中的整體造型和形象效果。

4.2? 結(jié)構(gòu)方面

在建筑結(jié)構(gòu)方面，我們有下面五點需要去注意。第一，應(yīng)該要考慮自然環(huán)境的影響，比如地震或者刮風(fēng)，在這兩者的作用下，建筑會被動產(chǎn)生水平側(cè)向力;第二，在建筑過程中，要設(shè)計好合理的建筑主體的寬高比，這樣做視為了讓建筑的穩(wěn)定性更好;第三，建筑的質(zhì)量是由平面、立體、整體、剛度的質(zhì)量共同決定的，所以在建筑過程中考慮好這些方面的對稱性，讓建筑物沒有任何的薄弱點;第四，適當(dāng)處理地震、風(fēng)力、溫度變化、地基沉降等自然因素引起的建筑物變形節(jié)點;第五采取措施保證設(shè)計技術(shù)和施工條件的安全可靠。

5? 常見問題

首先，水平荷載對整體結(jié)構(gòu)的影響較大，即當(dāng)建筑物高度增加時，建筑物內(nèi)水平荷載產(chǎn)生的位移和強(qiáng)度也逐漸增大，如遇地震和強(qiáng)風(fēng)時，高層建筑在不同高度上的水平力是由低到高的。如果在施工前按同一標(biāo)準(zhǔn)計算工程造價預(yù)算，將存在隱患。在此基礎(chǔ)上，確定水平荷載對高層建筑的具體影響，應(yīng)在實踐中進(jìn)行科學(xué)計算和論證。

其次，在框架-剪力墻體系中，連梁的剛度被削弱。在計算建筑物的內(nèi)力和位移時，常用的計算方法是彈性計算法，然而，當(dāng)用這種方法計算框架與剪力墻之間的連梁時，由于變形而產(chǎn)生的彎矩和剪力很大，因此用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行截面設(shè)計工作時，很可能無法保證精度。在此基礎(chǔ)上，在計算中經(jīng)常按一定比例降低連梁的剛度，一般的折減比例保持在55%以上。

第三，等效抗彎剛度是用簡化分析方法分析高層建筑自振周期的重要因素。其含義是高層建筑結(jié)構(gòu)體系受水平力的影響，會產(chǎn)生頂點位移現(xiàn)象。同時，建筑物的懸臂構(gòu)件也會受到水平方向力的影響，產(chǎn)生頂點位移現(xiàn)象。如果兩者的位移一致，則表示兩者的彎曲剛度完全相等。在此基礎(chǔ)上，將懸臂梁的抗彎剛度稱為等效抗彎剛度。

第四，高層建筑的計算必須考慮側(cè)向位移的極限值，即高層建筑的剛度必須符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以防止結(jié)構(gòu)在側(cè)移較大時發(fā)生開裂、傾倒或結(jié)構(gòu)中某些環(huán)節(jié)的損壞?；诖?，高層建筑的峰值位移和各層間不同長度的側(cè)向位移不能“無限延伸”，必須加以限制，才能保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。

6? 分析方法

6.1? 基于常微分方程求解器

這是一種非常強(qiáng)大的分析方法，可以十分有效的分析高層建筑力學(xué)，避免在分析設(shè)計時有任何關(guān)于精準(zhǔn)方面的誤差。但是這種方法使用起來的流程比較復(fù)雜，首先要使用能夠有限元技術(shù)，利用能量泛函變分對偏微分方程進(jìn)行離散，緊接著，將其轉(zhuǎn)換成連接函數(shù)投標(biāo)文件中的常微分方程組，最后，在使用常微分方程求解器求解。在高層建筑的力學(xué)分析中，該方法能有效地解決考慮樓層變化時的動靜態(tài)計算和穩(wěn)定性計算，與離散化方法相比，計算量大大減少。

6.2? 基于有限條法和樣條函數(shù)的分析方法

如果結(jié)構(gòu)體系的幾何形狀和物理性質(zhì)隨高度的增加而有規(guī)律地變化，則可用有限條法進(jìn)行分析。這種方式是沿著一定的方向，通過簡單的多項式表達(dá)和計算;但是，在其他方向上，應(yīng)使用級數(shù)法來表示和計算，并且級數(shù)應(yīng)具有連續(xù)性、可微性和滿足帶端邊界的條件。在計算分析中，技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，建立相應(yīng)的模型，并使用連續(xù)等效物理常數(shù)和桿位移函數(shù)來簡化計算過程。這樣，結(jié)果的準(zhǔn)確性肯定會提高。因此，樣條函數(shù)常用于高層建筑的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。

6.3? 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

基于雜交元和非協(xié)調(diào)元，構(gòu)造了廣義變分原理?；诜謪^(qū)廣義變分原理，構(gòu)造了分區(qū)混合有限元分析方法。建筑結(jié)構(gòu)體系的彈性分為勢能區(qū)和剩余能區(qū)。位移單元應(yīng)用于勢能區(qū)，節(jié)點位移作為基本未知量。應(yīng)力單元應(yīng)用于剩余能量區(qū)，應(yīng)力函數(shù)作為基本未知量。一旦界面同時觸發(fā)位移和內(nèi)力條件，根據(jù)相關(guān)的計算和轉(zhuǎn)換模式，成功地建立了分區(qū)混合有限元基本方程。該方法適應(yīng)性強(qiáng)，分區(qū)靈活，常用于框支剪力墻和支撐墻梁的力學(xué)分析。

6.4? 高層建筑結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析方法

根據(jù)美國聯(lián)邦應(yīng)急管理局273地震評估方法和ATC-40報告，靜態(tài)彈塑性分析，也稱為推覆法，是介于彈性分析和動態(tài)彈塑性分析之間的一種方法。

7? 結(jié)束語

本文主要分析了高層建筑設(shè)計的主要要點以及相應(yīng)的方法。隨著人口的增多、土地數(shù)量的減少，高層建筑必定是大勢所趨。二我們所需要做的，就是要保證高層建筑的安全性，同時，也希望所有的設(shè)計人員共同努力，打造優(yōu)秀完美的高層建筑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭麗明.淺談鉆孔灌注樁施工及質(zhì)量控制[J].江西建材，2014（6）：93.