淺析高層建筑結構力學分析方法

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

隨著我國經濟快速發展，建筑工程逐漸增多，現如今高層建筑已經取代了小規模的建筑并在一定程度上促進了我國建筑行業的發展，結構力學、應力及物體側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，所以側向移位和應力對自身房體的影響較大，嚴重的還會在一定程度上加大材料及設計結構的支出情況，所以對高層建筑的設計規劃應該重視設計規劃的科學性，而不是傳統模式下只重視結構的強度，以至于對之后的施工造成影響。所以，對高層建筑結構體制來說有效的控制成本支出及合理的對力學進行分析是目前的重點。

1 高層建筑結構的特點

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域進行選址施工，有效的減少了傳統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，提升工作的質量。當我國建筑工程達到一定層次和高度時，因建筑之深具有一定的科學性，其發揮的功能和經濟都是不同的，所以在實際設計中相關人員應該結合當地的情況制定設計的內容，合理的進行布局，在提升安全系統的同時，充分地發揮建筑功能。

在對高層建筑進行設計時，首先要重視設備和電氣的使用，相關設計師要結合建筑預定的目標和功能進行設計，如在設計建筑自身供暖和排水時，要根據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。在設計通風系統時，設計師要考慮風力設備對建筑內部造成的影響，如在風力增大時相關空氣壓力及熱氣壓力也會發生一定變化，且這些變化會對之后計算散熱量造成影響。最后設計師要重視消防系統，避免出現問題無法及時的控制，且對供水系統要根據樓層的布局合理的進行設計，避免對之后對結構分析造成影響。現如今，在對高層建筑結構設計時，相應該確保建筑結構的安全性，并在設計時對建筑的寬、高、長等嚴格的規劃，避免在受到巨大自然災害是對建筑側向力造成影響，其次要重視建筑的立面和平面的對稱，減少建筑結構出現薄弱點，當受到外力侵襲時造成不可逆的后果。最后對于一些地質較深的地方相關設計人員應制定問題方案，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行處理，確保施工的安全性和標準性。

2 高層建筑結構體系及使用范圍

2.1.鋼筋混凝土及鋼筋混凝土框架-剪力墻結構

首先鋼筋混凝土剪力墻結構是我國高層建筑工作中常見的結構體系，其剪力墻結構又叫橫向建筑水平力承擔實體墻體，其不僅能由框架進行支撐還能直接站立在基礎上，從而適應大空間的需要，其也被叫為結構墻。對剪力墻來說其不僅與建筑的連接性較高，截面也比較大，由于剪力墻的抗側能力比傳統技術的應用質量較高，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構的建筑有高層房屋、大型酒店等。其次對鋼筋混凝土的框架來說剪力墻結構體制是由剪力墻自身和混凝土框架一起承擔建筑橫縱向水平及抗側力結構，此外應用混凝土框架可以獲得和剪力墻一樣的優點，在實際工作中其不僅對框架布置較為靈活，其抗側力也較高，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構來說，目前其大多應用于寫字樓、學校等建筑中。

2.2.鋼混、框架及巨型結構

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

2.3.簡體結構

對簡體結構的外圍框架來說，其主要就是由深梁和密排柱兩者構成的一種網格機構，這種簡體建構因自身剛密度較大，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。其次簡體建構自身可以分為幾個內容：簡中簡結構、簡體框架結構、框筒結構及銜架式簡體結構，從這幾種結構來看，簡中簡結構是將兩個以上的筒體融合形成一種豎向的城中結構模式，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構。對簡體框架結構來說，其主要的表現是雖然建筑外框的架柱較大，但內部結構較穩，其使用的核心是剪力墻，抗側能力較強。框筒結構對于抗扭和抗側的剛度較強，適合一些需要大場地、人員較多的地點。銜架式簡體結構主要是通過一定的大斜面和建筑工程四周的外柱進行連接，以此承擔大部分建筑的剪力，且斜面的承受力是豎向的，所以應用這種結構可以有效地延緩和消除剪力帶來的影響，最后對于簡式結構來說，其是由多種框筒融合形成的一個結構體系，這種結構可以有效的抵抗彎力、剪力帶來的影響。

3 高層建筑結構力學分析的問題

首先就是高層建筑結構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高層建筑的結構因為水平荷載的影響出現了頂點位移問題和某個懸臂桿因為水平荷載的影響出現頂點位移情況時，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構中的問題之一，當出現此類問題時，相關工作人員應該充分地對自身建筑進行檢查，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構及鋼結構進行分析相關高層建筑結構位移情況，目前來看在我國高層建筑結構中，相關鋼結構的分析結果并不等于鋼筋混凝土結構結構的分析結果，且高層建筑中鋼結構一般是由梁柱構建及鋼墻和鋼斜撐為主組成的內容，不同結構、不同組成之間可以變成不同的結構內容，所以對于此類方式進行分析較為困難和復雜。

第四，水平荷載產生的因素對我國高層建筑的影響較大，隨著社會快速發展，人們的經濟逐漸提升，建筑也逐漸興起，打破了傳統建筑中想都不敢想的高度，且在此類過程中，水平荷載產生的位移和內力問題也逐漸顯現出現，如果出現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劃結構方案都容易造成一定影響，對于剪應力分布不均的情況來說，在我國高層建筑剪力墻結構中常常會碰到剪應力數據分配不均的問題，如在建筑中考慮翼緣的寬度將會呈現不同形式的剪力墻截面等。第五，在高層建筑中簡體結構聯系梁剛度較弱，目前來看，我國建筑中對于位移和內力的計算大多是彈性計算方式，在此類過程中，整體結構使用的彈性剛度一樣，在實際的混凝土框架剪力墻結構中，如果按照傳統方式中彈性的方式對框架和剪力墻之間的連系梁進行計算，那么最終彎力及剪力的數據計算內容將比較大，從而為之后建筑截面的設計造成一定的影響。所以在實際建筑計算時，相關人員應該對連系梁的剛度適當的進行縮減，但減少的具體數字要按照標準來進行。最后就是對于側向移位較限制，側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行準確設定，降低因建筑側面位移所產生的結構開裂及對結構造成破壞的現象出現，所以在實際高層建筑中相關人員要對頂點位移及側向位移進行適當的設定和限制。

4 高層建筑結構中常用的力學分析方式

4.1.優化結構分析及彈塑性動力分析

首先對優化結構分析來說，其主要是將目前先進的網絡計算機技術及數學理論方式結合，從而形成的一種設計方式，使用這類結構分析方式可以更好的對高層建筑結構力學進行分析，優化傳統的分析方式將原來檢驗分析轉為規劃設計分析，通俗來說就是通過此類方式對建筑的結構進行檢驗和規劃。此外使用最優化結構分析可以對高層建筑結構力分析打下一個基礎，并讓小重量材料產生大剛度。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數據無法準確的收集，其中最具代表性的難收集數據就是對高層建筑未知的歷史震動強度數據。

4.2.分區混合有限元及分區混合廣義的分析

目前來看，快速發展的分區混合廣義分析方式主要是因為非協調元和雜交元的發現技術，且分區混合有限元分析方式是目前出現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分為兩個不同的類型，如余能區和勢能區，首先余能區的計算方式是對于應力單元來計算的，在每個計算點通過函數作為主要方式以此為求解提供未知因素，而勢能區是對于唯一的單元來進行的，并在每個計算的節點將位移產生的量度作為求解的因素。以上這兩個區之間的交接是增加額外的能量元素項，且其保證位移和應力相互的約束條件就是通過積分來計算。現如今使用分區混合機有限元分區混合方式可以有效地對我國高層建筑的結構力學進行分析，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力集及托墻梁的承重情況，還能計算相關支撐墻壁的剪切力等問題。

4.3.有限條、樣條函數及常微分方程求解器分析

首先在高層建筑結構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，針對幾何形狀的規則結構使用的是多元化的方式，幾何結構非規則則是根據相關條件創建函數。在使用有限條方式對高層建筑結構的力學進行分析時，要選擇適合的求解模式、物理常數及函數。此外樣條函數分析方式屬于多段式分析，相比有限條分析，其對于函數位移曲線的融合連接較為圓潤，所以樣條函數具有求解較快、穩定性連續性較強的那個特點，且其在我國高層建筑結構力學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。在高層建筑結構力學分析中應用此類方式可以將樓板的變形方式計入求解過程中，保證分析的結果，和傳統離散分析方式進行對比，傳統的求解速度會因計算的內容變多而變慢，無法發揮出高層建筑結構力學分析的價值。

5 結束語

由此可見，隨著我國經濟快速發展，城市化建設逐漸提升，高層建筑已經成為了社會發展一個必要。目前來看，我國對于高層建筑結構力學的分析還在使用傳統的計算模式，其已經無法滿足高層建筑的藝術及技術功能的融合需求，所以相關工作人員在實際工作中要根據自身建筑結構的情況選擇適合的結構力學分析方式，從而促進我國高層建筑持續穩定發展。