高层建筑结构施工力学探究

杜岳姗

摘要：作为一门新兴起来的学科，施工力学有着它特有的特点，它与经典的力学不同，它所分析的对象，是随着时间改变而在不断变化的，因此，它所分析的对象（包括质量阵、刚度阵、阻尼阵）在结构方程上都为时间的函数。它的目的主要在于反映高层建筑结构在施工工程中不断变化的实际力学的状态，以此来保障施工的安全。本文从高层建筑结构施工力学简述分析，提出了施工力学计算模型的建立，并重点讲述了超级有限元-有限元法耦合法以及算例及结果分析。

关键词：施工力学；高层建筑结构；分析

一、高层建筑施工力学简述

高层建筑由于楼层高，规模大，施工复杂，与普通楼层施工相比难度更高，对施工工艺以及建造材料有较高的要求。因此，对于施工中力学过程的分析十分重要，在高层建筑的施工中以一个已经建设好的模型进行分析不能满足复杂变化的施工要求，因为高层建筑结构的复杂性，即使是同一种结构，在不同的施工情况和环境下，其力学参数也会有所不同，需要根据具体情况进行分析。举个例子说明这一点：在高层钢筋混凝土中，作为梁板系统，随着建设楼层高度的增加，新楼层结构的抗水平部分没有形成，还会发生材料刚度一级强度的变化，楼体负荷情况也发生变化，而这些变化都是有一个未形成的框架一级支撑进行，很容易给建筑施工带来危险。因此，高层建筑结构施工力学应运而生，在高层建筑的施工分析中发挥了极其重要的作用。作為一门新兴的学科，它属于力学的范畴，具有很强的实用性。

二、施工力学计算模型的建立

考察高层建筑结构的施工过程，可以发现，随着施工过程的推进，结构的整体刚度、边界约束、荷载状况在不断地改变，由前期结构发生的徐变以及施工误差而产生的几何位移也在改变，并且下层的变形不受上层的约束，对上层起着弹性支座的作用。因此，根据以上受力特点，我们可以非常方便地用超级有限元-有限元耦合法来模拟不同的施工过程。例如，将房屋建造的最初状态（ST1）用超级远（Ⅰ区）进行结构分析，建立起单元构件和超级元之内力关系；递增构件（ST2）按有限元（Ⅱ区）进行结构分析，然后在（Ⅰ区）和（Ⅱ区）的交界处进行耦合协调，从而在多工况恒、活载作用下计算出各构件在未完成结构状态下的位移和内力。然后再以当前结构（ST3）所处状态为起点作为一个新的超级元（Ⅰ区），新增构件（ST2）按有限元（Ⅱ区），重复以上过程直达达到所需要求为止。如图1所示。

应该特别指出，每一个递增构件并不一定必须由高层建筑的一层结构组成，它可以是若干层，也可以是一层结构中某一部分。这完全应该根据实际情况的需要遵照施工次序具体确定。但无论怎样确定递增软件，一系列基本计算结构都应满足上述组成关系。

三、超级有限元-有限元法耦合法

超级有限元，又称综合有限元法，是一种反映半连续、半离散思想的比较新的结合法。超级有限元按形函数类型可分为一维、二维和三维。按所含构件类型又可分为框架、剪力墙，桁架等系统。由于篇幅关系，本文仅研究框架分析的三维超级元，其它结构形式如框一剪、剪力墙、框筒等也类似，可参考相应有关超级有限元文献。

假定在递增构件（Ⅱ区）中有ni个构件与超级元（Ⅰ区）接触，接触面为G。因此（Ⅱ区）中ni个构件在接触面上转化为（Ⅰ区）中的广义自由度根据最小势能原理，可得到整个系统的算式为：

式中刚度阵k、质量阵m一般均为时间t函数。在求出{δ}后，即可通过上式详细给出系统中每个构件的各种力学量：。

四、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。

五、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。

六、结语

从以上的论述我们可以看到，在对高层建筑进行力学分析中，施工的过程对建筑结构的影响也很大，常规的计算分析方法没能将施工的因素考虑到其中，容易造成事故，对施工力学的分析在高层建筑中极为重要，但如今仍很缺乏深入地研究，有待我们进一步地探讨。

参考文献：

[1]汤来福 张连花；《现代高层建筑结构力学分析方法[J]》；《黑龙江科技信息》；2010年18期；

[2]高文君；《高层建筑结构力学分析方法探析[J]》；《黑龙江科技信息》；2013年6期；

[3]徐志平；《高层建筑结构力学分析方法探究[J]》；《城市建设理论研究（电子版）》；2012年3期；