施工力学在高层建筑结构中的应用分析

【摘要】随着社会经济的快速发展，城市建设也同样得到快速的发展，而建筑朝高层发展已经成为一种必然的趋势。高层建筑中的结构设计并非是依靠结构材料的强度，而是依靠刚度来加以支配的，其中建筑结构体系对刚度的大小起决定作用。所以，高层建筑结构设计的关键之处就在于选取高效且经济的结构体系，且对其展开科学合理的力学分析。鉴于此，文章将对施工力学在现代高层建筑结构中的具体应用加以分析，以便确保高层建筑的质量。

【关键词】施工力学；高层建筑结构；分析

[Abstract]With the rapid development of social economy, city construction also has obtained the fast development, and building toward the high-rise development has become an inevitable trend. Structure design of high-rise building is not to rely on the strength of the structural material, but on the stiffness to be controlled, the structure effect on the stiffness of the size of decision. Therefore, the key of the design of high-rise building structure is structural system selection efficiency and economy, and to analyze its mechanical scientific and reasonable. In view of this, this paper will analyze the specific application of construction mechanics in modern high-rise building structures, in order to ensure the quality of high-rise building.

[Keyword]Construction mechanics; structural analysis;

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码A 文章编号

前言

在社会经济飞速发展的当代，建筑业发生了极大的改变，建筑物逐渐开始向高层建筑发展，且已经成为城市工程建设当中的一个重要构成部分。在对高层建筑结构的施工时期，往往需要构建部分临时的支撑体系，并且和结构构成一个安全可靠的工作系统。假使不对施工过程的影响加以考虑，一般将会导致结构在安装或者是施工之后的状态和设计状态的不相同，进而导致在结构中埋下安全隐患。具体实践到高层建筑结构的施工中，工程技术人员应该做到结构的安全可靠，所以在对高层建筑结构进行设计之前，应该清楚掌握施工方案与方法，以便保证建筑结构设计的科学可靠；施工人员也必须掌握结构的设计状态，以便准确的进行施工程序。要想实现这一目标，就应该对施工过程中的施工力学加以分析，从而保证高层建筑工程的施工质量。

超级有限元-有限元耦合法的应用分析

在对高层建筑结构进行施工时，发现伴随着施工过程的发展，结构的边界约束、整体刚度以及荷载情况都在发生改变，因前期结构产生的徐变和施工误差而导致的几何位移，同样在不断的变化，而且上层不对下层的变形加以约束[1]。所以，施工人员可以依据上述受力特性，运用超级有限元-有限元耦合法对高层建筑的施工过程加以模拟，其中所谓的超级有限元指的就是反应半离散、半连续思想的一种较新的结合方法，又被叫做综合有限元法，依据所包含构件的类型，可以将超级有限元分成桁架系统、剪力墙系统以及框架系统等，依据函数类型，可以分成一维、二维以及三维。本文将就框架分析的三维超级元加以分析。假使在递增构件内含有ni个构件，并且与超级元相接触，该接触面为G。那么递增构件内的ni个构件在接触面中转变成超级元内的广义自由度，依据最小势能原理能够获得整个系统的计算公式，即

[K(t)]{δ}+[M(t)]{δ}={F(t)}

其中K表示刚度阵、M表示质量阵，它们通常都是时间t函数。在计算出{δ}之后，就能通过上述公式计算出系统内每一个构建的各种力学量：{σ}B、{ε}B。

超级有限元运用在实际的房屋建设中，可以利用超级元对最初的状态进行结构分析，构构建起超级元与单元构件两者间的内力和位移关系；递增构件依据有限元来展开结构分析，之后在有限元与超级元的交界处展开耦合协调，进而在活载与多工况恒的基础上，对各个构件还没有实现结构状态下的内力与位移进行计算，然后将当前的结构所保持的状态作为起点，并且将其当做一个新超级元，依据有限元，新增的构件反复上述的过程，直到实现所需为止。

应该强调，每个递增构件并非必须要由高层建筑的一层结构所构成，可以是一层结构当中的一个部分，或者是若干层。这主要依据实际状况的要求，按照施工顺序来明确的。然而不论如何明确递增构件，一系列基本计算结构均必须符合上述构成的关系。

通过实践发现，不可忽视施工过程对高层建筑结构所带来的影响。梁的剪力与弯矩大小的改变与梁相应刚度大小和层数有一定的关联。梁相应刚度越大，建筑楼层越高，那么梁的剪力与弯矩的偏差就越大，否则偏差就越小。

时程法的应用分析

在1978年，在我国已经对时程法进行广泛的分析与运用，该方法又被称为高层建筑结构弹塑性动力分析方法，它主要是把地震波计量直接输入的结构，结合结构弹塑性的性能，根据结构弹塑性恢复特性构建动力方程式，利用逐步积分法将地震时的速度、加速度以及位移等的时程变化计算出来，进而可以在结构强震的基础上，描述非弹性时期与弹性时期的内力情况，并且对结构构件逐步裂开、屈服、破坏以及倒坍的过程加以描述[2]。

站在理论的角度来讲，时程法具有一定的优越性，假使可以找出结构的薄弱环节，那么分析结构的延性和变形与实际较为符合，实际震害和预计的损害形态较为贴近。然而这种办法的前提和实际比较难相符，如果必须拟建场地实际强震记录，实际上难以获取到。近几年，国内外研究人员在对人工随机地震波作为输入地震波方面的研究上，获得了不错的进展。结构的计算模型，更多的是采用层模型。当前对楼板变形的影响加以思考，采取并列多质点计算模型的办法同样在研究当中，部分研究还对基础的转动与平移进行了一定的思考，把上部结构、土体以及基础结合在一起考虑的耦合振动，同样获得了一定的成果[3]。

但是，当前对时程法的使用依然存在各种不同的观点，必须使用大型高速计算机，典型地震波本身并非一定要出现真正的地震，所以在对时程法进行有效研究的同时，还必须深入研究一些简化的近似办法，不论如何，当前的趋势，各个国家在抗震规范修订草案或者是修订本当中，已经开始将直接动力分析列入其中，不仅是美国与日本两个国家，加拿大与印度这两个国家在其抗震规范中明确指出，在对超高层建筑物进行设计的过程中，必须选取恰当的地震波，进而对其直接动力加以分析。

样条函数法与有限条法的分析办法

半解析法指的就是离散和解析有机结合的一种办法，其通过数学力学的方式极大的降低了有限元方程的阶数，可以防止有限元的过量计算，并且可以避免在有限元法内经常碰见计算污染，也就是病态方程组，进而造成计算结果的恶化。在高层建筑当中，往往会发生物理特性与几何形状沿高度方向较为规则的状况，这种类型的结构体系使用有限条法，能够获得较好的效果。有限条法只要沿着一些方向采取简单多项式，其他方向则是可微、连续并且事前符合条端边界条件的级数[4]。在使用有限条法的过程中，提升精度、计算简化的关键在于结构计算模型、等效连续体的物理常数以及条元位移函数等的合理选择，针对这个问题，国内外已有相关的研究，并且提出了一些有关分条模式与位移函数的研究成果。

样条函数是一种分段多项式，和有限单元法相比较，其具有较好的位移模式曲线拟合度，较强的通用性与连续性，较疏的系数矩阵，计算量较小，并且具有稳定、完备、紧凑以及收敛等特性。所以，实验结果和计算结果基本上相吻合，是一种较好的办法，在高层建筑中获得了运用，将三次B样条子域法为例，对开洞剪力墙进行分析，首先把这个结构分成n个子域，将其作为子域加以分析，构建子域荷载列阵与刚度矩阵，之后对结构展开整体性的分析，得到样条结点参数，最终计算出结构内力与位移。

4.结束语

综上，现今对高层、超高层的施工力学的应用分析还比较的散，并且大部分处于半经验状态。文章通过较为严格的数值办法来对高层建筑的施工过程加以模拟，进而对其结构进行分析。虽然当前展开了一些较为有益的研究与探索，但是依然存在许多问题必须进行深入的研究与改善，例如超级有限元位移模式的选择问题，或者是施工荷载作用下，变结构内力重力与时空最大值方面的问题，等等。

【参考文献】

[1]邬喆华,楼文娟,许国平,何丽波,唐锦春.多高层建筑结构考虑施工过程的内力分析[J]. 科技通报.2009(04)

[2]丛术平,梁书亭.多层框架结构施工力学分析[J].特种结构.2009(04)

[3]郭彦林,刘学武.大型复杂钢结构施工力学问题及分析方法[J].工业建筑.2009(09)

[4]曾强,黄川,齐秀芝,鲍广鉴基于复杂因素影响的超高层结构施工力学对比分析[J]. 施工技术.2010(07)