建筑結構力學分析的難點和解決方法

　　摘    要：　隨和城市化進程的加快，越來越多的高樓平地而起，原來矮小破舊的建筑追殲被各式各樣的高層建筑所代替。當高層建筑的高度逐漸增高時，其側向位移和內力也會隨之增加，這對高層建筑的結構體系、材料用量以及工程造價等方面有著重要的影響，隨著高層建筑的普及，人們開始重視起建筑結構中力學分析的問題。本文主要對建筑結構力學分析常見問題和分析進行探究，為實際的力學結構分析提供理論保障。

　　關鍵詞：　高層建筑; 結構力學; 常見問題; 分析研究;

　　建筑是為人們提供居住，娛樂等活動的必要場所，人口的增長和經濟的發展都伴隨著建筑的層數的增加，越是人口眾多的大城市，越是需要提供一些基礎的娛樂活動場所，這些基礎建筑進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，結構也越來越復雜，結構力學分析能夠幫助建筑建立更高的穩定性。

　　1、 建筑的主要結構體系和適用范圍

　　在當前的建筑領域存在很多的建筑結構，這些建筑結構擁有各自的特點，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構。豐富的建筑結構類型也豐富了當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 、框架結構體系

　　框架結構體系能夠滿足不同的建筑設計需求，是常見的建筑結構搭建方法。其具體的操作方法是將位于同個平面內部的立柱和橫梁借用鋼節點完成連接。因為建筑框架結構中的梁柱節點十分復雜且對于建筑整體效果至關重要，所以梁柱節點結構的模板安裝工作變得比一般模板鋪設工作復雜。為了降低工作難度可以依托節點進行鋼筋綁扎作業。在此基礎之上著手進行模板安裝工作。注意事項有測量梁柱節點和樓板尺寸進行合理科學分類編號排序，根據編號對梁柱節點的自身數據進行分析進一步落實節點的模板方案。安裝時可以采用工具式模板進行梁柱節點模板安裝工作。保持鋼筋綁扎加密區和節點區保持同一。還需要讓箍筋的規格大小可以延伸到支座的直段和彎鉤長短符合相關規定。但是在實際操作中很難實現這一點，主要是因為對于梁柱節點的監管不足以及節點施工使用的技術和設備不夠成熟。
 

　　1.2、 筒體結構體系

　　在筒體結構體系中，其外圍框架的主要構成就是密排柱和深梁構成的網格結構，這種筒體結構的剛度較大，其外部筒體相當于懸臂梁的作用，可獨自承擔起全部的水平荷載。這種結構由于其框筒結構體系的抗側能力和抗扭剛度較大，大多數貿易中心和大型活動場館都使用的該結構體系。

　　1.3、 鋼-混組合結構體系

　　這種結構是結合混凝土和鋼筋的優秀特質而得到的建筑結構體系，這種結構能夠同時完成承擔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構體系，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定機構的建筑結構體系很受歡迎。

　　2 、建筑結構力學分析的常見問題

　　在當前的建筑中，建筑的結構影響了建筑的美觀和承重，是整個建筑的靈魂，在進行建筑施工之前需要對建筑結構進行力學分析，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。對當前的建筑結構力學分析中主要存在以下一些常見的問題。

　　2.1 、水平荷載所產生的影響較大

　　隨著建筑高度的增加，其水平荷載產生的位移及內力也隨之增加，這些變化對建筑材料的用量、建筑結構方案的確定以及工程造價等有著決定性的影響。由于建筑結構力的作用，會對下層材料產生擠壓，下層材料的負荷增加，會使材料發生水平方向的位移，這個向下的作用力，也會作用到下層，使其內力發生改變。在建筑施工時需要對其水平荷載產生的力進行具體分析，根據各個材料的受力能力和彈性系數的不同，選擇適合的建筑材料，更改優化自身的建筑結構方案，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生內力和位移，在連續的力的作用下，物體會發生連續的位移，受力物體的內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，對整個結構采用的彈性剛度應一致。在混凝土框架-剪力墻這個特別的結構中，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，從而為截面的設計帶來困難。這種計算的誤差會對截面的設計產生一定的影響，在這種影響之下，會影響整個建筑的結構，使建筑的受力計算產生誤差。在計算混凝土框架-剪力墻這個特別的結構時，需要在計算時對連系梁剛度進行合適的折減，折減系數一般大于等于0.55.

　　2.3、 等效抗彎剛度

　　等效抗彎剛度是指當高層建筑結構體系由于水平荷載所產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，在建筑結構力學分析計算的過程中，由于許多建筑結構存在一定的相似性，因此為了提高計算和分析的效率，有時會對計算過程進行簡化，相同等效抗彎剛度的懸臂桿件可以進行模型的轉化，簡化計算過程，提高計算效率。

　　2.4、 側向位移限值

　　由于建筑材料之間的擠壓和各種其他外力，很容易發生側向位移的情況，由于情況的普遍性，對于一些比較微小的側向位移，其實對建筑的整體結構不會產生大的問題，可以忽略。在建筑工程管理中，側向位移是有一定的限值的，一旦超出這個限值，建筑結構就會變得不穩定。超出限值的側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，以免因為側面位移過大而導致建筑結構變得不穩定，建筑產生結構開裂、傾覆或是次要結構等破壞的現象。不同高度的建筑的側向位移限值是不同的，樓層越高側向位移的限值越低。要限制樓層的側向位移的發生需對高層建筑的頂點位移和各層層間的相對側向位移量進行計算限制。

　　2.5 、剪力墻結構設計

　　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，并在薄板平面中進行分析。這些區域可以細分為有限數量的幾何形狀。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點和公共邊連接。在研究問題的區域中，這些元素之間的連接稱為有限元網格。在其他文獻中，網格可以分為兩類：結構化網格和非結構化網格。結構網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。結構化網格可以大大減少程序的執行時間，結構化網格可以用于邊界復雜的區域。這種網格通常易于適應復雜的結構形狀。為了解決這個問題，可以使用非結構化網格離散化具有內部邊界的復雜區域。盡管非常耗時，但非結構化網格仍然適用于局部網格細化。這項工作的目的是通過在幾何不連續處使用較小的元素，在其他區域使用較大的元素來獲得剪力墻框架幾何形狀的高質量粗糙網格。

　　2.6 、鋼結構和鋼筋混凝土建筑結構的位移與內力分析

　　在實際的建筑結構中，鋼結構的分析并不等同于鋼筋混凝土建筑結構的分析，鋼結構體系是由梁、柱構件、鋼斜撐、鋼板墻以及兩力桿等構成，不同的結構之間可形成不同的結構體系，因而其分析方法較為復雜。在進行建筑結構力學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，對其進行結構力學分析，這樣才能保證建筑結構力學分析的準確性，減少建筑結構中因受力問題產生的各種位移和傾斜。這些位移越大，對建筑結構的穩定性的影響越大，會影響整個建筑的安全性。

　　3 、建筑結構力學常見的分析方法

　　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階段高層建筑結構力學分析法中一種相當有效的分析方法，這種方法的誤差較低，計算出來的結果的精度較高，利用方程的方法來進行分析求解，計算設計建筑的最優結構。在使用這種方法對建筑結構力學計算時，可以關注到樓板變成時的動、靜力計算以及穩定計算等，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法的分析方法

　　有線條法和樣條函數法是在遇到特定條件情況時，會采用的建筑結構力學分析方法，當遇到幾何形狀及物理特性沿高度方向較為規則的情況，可以使用有限條法進行建筑結構力學分析，這樣的運算方式可以提高計算結果的精確性。

　　3.3、 基于分區廣義變分原理與分區混合有限元的分析方法

　　分區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，勢能區這兩個部分。針對勢能區使用的位移單位被視為基礎的變量。應力單元在余能區的作用效果則使用盈利函數進行變量表示。當兩者的交界處達到內力和位移的相關要求，可以使用分區混合有限元完成基本方程的計算。這種適應性較強且方式靈活的計算方法能夠有效適應托墻梁結構，框支剪力墻的結構設計。

　　3.4、 建筑結構彈塑性動力分析方法

　　彈塑性動力分析法又稱為時程法，能夠對潛在的結構變性進行分析預測，能夠大大減少建筑結構出現問題的可能性，保證建筑結構的偏移在可控的范圍之內。但是目前這種方法的實施性較差，相關的數據難以采集和收集，因此很難做到分析的準確性，也就逐漸被眾人所放棄，在實際的建筑結構力學分析中很少使用到這種分析方法。

　　3.5、 基于最優化理論的結構分析方法

　　隨著時代的進步，建筑結構分析方法的種類也日漸增加，還有許多的結構分析方法在原有的結構分析方法基礎上融入了新的理論知識，對建筑結構力學分析方法進行了創新。結構最優化設計是當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展的計算機技術融入到了建筑結構力學分析的實踐中來，這種分析方法可轉被動的分析、檢驗為主動的“設計”。建筑剪力墻的建筑強度非常強，不允許像地下內壁一樣進行個人鉆孔，否則會破壞建筑物的整體結構設計并進一步威脅其穩定性。剪力墻是建筑結構中的重要阻力因素。用梁、薄板、柱子和其他組件構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，剪力墻的內側由混凝土增強筋組合而成，整體結構堅固，補強量和墻體強度有所不同，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定，而高層建筑（尤其是頂部）更容易受到風和地震的影響，剪力墻是必不可少的結構。

　　4、 結語

　　目前，我國的建筑結構力學的分析還處于逐步的發展的過程中，還存在著以上提及的一些問題，這些問題需要我國的相關的建筑結構力學人才進行研究和分析才能幫助建筑結構力學體系的完善和發展，在進行建筑結構的設計的過程中需要結合市場對功能和藝術的需求，進行符合結構力學和建筑美學的設計。在建筑結構力學的分析階段需要負責人根據建筑結構的實際情況選擇適合的結構力學分析方法。對高層建筑進行準確、合理的結構力學分析，不僅有利于結構設計方案的確定，而且能為高層建筑結構材料的使用數量、造價等方面提供理論依據，從而更好地促進高層建筑工程使用壽命和經濟效益的提高。

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