高層建筑結構力學分析常見問題及分析方法

陳鑫嶺

摘? ? 要：現如今，我國的城市化的發展正在如火如荼的進行著，進城生活的人多了，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，很多傳統的樓房被高層所取代。但是高層達到一定高度時，它的側向位移和內力也會增加，這對于其建設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構力學分析常見問題及分析方法進行詳細解讀，以便確保高層建筑本身的穩定性，也讓普通居民的生活沒有安全隱患，讓他們過得舒心。

關鍵詞：高層建筑;結構力學分析;分析方法

1? 前言

現如今，我國的經濟發展勢頭非常好，同時，城市的建設也在如火如荼的進行中。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。它也在建設中。

2? 何為高層建筑

高層建筑在不同國家是有不同的標準。以美國為例子，只有達到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。以沈陽市渾南區太一尚園社區為例，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，是傳統的7層高層復式住宅的三倍，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高層建筑中，如果相互靠近，可以設置高層連接通道，大大縮短出行時間，提高出行效率。

4? 高層建筑的設計要點

4.1? 建筑方面

在建筑設計這一方面，也有很多設計人員應該注意點：第一，要將防火的間距增加，這樣就可以避免陽關的干擾，也要合理的設計相應的疏散通道和停車區;第二，按規范要求，在進行多層重復建筑布局統一，我們不僅僅要要滿足高層建筑應該必須具備的功能要求，還要滿足建筑主體結構、電氣配線區、設備管線、消防疏散等豎向設計技術要求;第三，對于建筑的豎向交通中心也要布置的合理，這樣對于使用質量和消防安全也是一個很好的保證;第四，由于有時候會發生地震、風力、溫度變化，所以設計建筑物內外的結構、裝修、材料和施工方法時，一定要將這些因素考慮進去，防止變形或相關安全問題;第五，在建筑設計中，建筑藝術也是設計師必要考慮的，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? 結構方面

在建筑結構方面，我們有下面五點需要去注意。第一，應該要考慮自然環境的影響，比如地震或者刮風，在這兩者的作用下，建筑會被動產生水平側向力;第二，在建筑過程中，要設計好合理的建筑主體的寬高比，這樣做視為了讓建筑的穩定性更好;第三，建筑的質量是由平面、立體、整體、剛度的質量共同決定的，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，適當處理地震、風力、溫度變化、地基沉降等自然因素引起的建筑物變形節點;第五采取措施保證設計技術和施工條件的安全可靠。

5? 常見問題

首先，水平荷載對整體結構的影響較大，即當建筑物高度增加時，建筑物內水平荷載產生的位移和強度也逐漸增大，如遇地震和強風時，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準計算工程造價預算，將存在隱患。在此基礎上，確定水平荷載對高層建筑的具體影響，應在實踐中進行科學計算和論證。

其次，在框架-剪力墻體系中，連梁的剛度被削弱。在計算建筑物的內力和位移時，常用的計算方法是彈性計算法，然而，當用這種方法計算框架與剪力墻之間的連梁時，由于變形而產生的彎矩和剪力很大，因此用這些數據進行截面設計工作時，很可能無法保證精度。在此基礎上，在計算中經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構體系受水平力的影響，會產生頂點位移現象。同時，建筑物的懸臂構件也會受到水平方向力的影響，產生頂點位移現象。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向位移的極限值，即高層建筑的剛度必須符合有關標準，以防止結構在側移較大時發生開裂、傾倒或結構中某些環節的損壞。基于此，高層建筑的峰值位移和各層間不同長度的側向位移不能“無限延伸”，必須加以限制，才能保證結構的整體穩定。

6? 分析方法

6.1? 基于常微分方程求解器

這是一種非常強大的分析方法，可以十分有效的分析高層建筑力學，避免在分析設計時有任何關于精準方面的誤差。但是這種方法使用起來的流程比較復雜，首先要使用能夠有限元技術，利用能量泛函變分對偏微分方程進行離散，緊接著，將其轉換成連接函數投標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。在高層建筑的力學分析中，該方法能有效地解決考慮樓層變化時的動靜態計算和穩定性計算，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的分析方法

如果結構體系的幾何形狀和物理性質隨高度的增加而有規律地變化，則可用有限條法進行分析。這種方式是沿著一定的方向，通過簡單的多項式表達和計算;但是，在其他方向上，應使用級數法來表示和計算，并且級數應具有連續性、可微性和滿足帶端邊界的條件。在計算分析中，技術人員應根據實際情況選擇合理的結構體系，建立相應的模型，并使用連續等效物理常數和桿位移函數來簡化計算過程。這樣，結果的準確性肯定會提高。因此，樣條函數常用于高層建筑的結構力學分析。

6.3? 基于分區廣義變分原理與分區混合有限元的分析方法

基于雜交元和非協調元，構造了廣義變分原理。基于分區廣義變分原理，構造了分區混合有限元分析方法。建筑結構體系的彈性分為勢能區和剩余能區。位移單元應用于勢能區，節點位移作為基本未知量。應力單元應用于剩余能量區，應力函數作為基本未知量。一旦界面同時觸發位移和內力條件，根據相關的計算和轉換模式，成功地建立了分區混合有限元基本方程。該方法適應性強，分區靈活，常用于框支剪力墻和支撐墻梁的力學分析。

6.4? 高層建筑結構靜力彈塑性分析方法

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

7? 結束語

本文主要分析了高層建筑設計的主要要點以及相應的方法。隨著人口的增多、土地數量的減少，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，也希望所有的設計人員共同努力，打造優秀完美的高層建筑。

參考文獻：

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