高层建筑结构力学分析常见问题及分析方法

陈鑫岭

摘    要：现如今，我国的城市化的发展正在如火如荼的进行着，进城生活的人多了，高楼大厦也变多了。虽然这是一种可喜的现象，但是依旧存在着一些隐藏的隐患。因为土地资源很紧张，很多传统的楼房被高层所取代。但是高层达到一定高度时，它的侧向位移和内力也会增加，这对于其建设体系和材料的用量有着不利的影响，直接地，就会影响居民的日常生活。本篇文章对高层建筑结构力学分析常见问题及分析方法进行详细解读，以便确保高层建筑本身的稳定性，也让普通居民的生活没有安全隐患，让他们过得舒心。

关键词：高层建筑;结构力学分析;分析方法

1  前言

现如今，我国的经济发展势头非常好，同时，城市的建设也在如火如荼的进行中。但是这其中也有需要我们多加注意的问题。比如，大城市的人口数量是巨大的，而土地资源确实固定的、有限的。在世界建筑的发展是上，高度最高的建筑是王国大厦，其有1007m，这是直接上唯一的的高度超越一千米的建筑物，并且，现在这座建筑物仍然处于施工中。第二高的就是哈利法塔，处于阿联酋迪拜，高度为838m，每年都有很多人特意来观光这座建筑物。第三高楼是武汉绿地中心，高636m。是集休闲、娱乐、办公、生活于一体的高层建筑。它也在建设中。

2  何为高层建筑

高层建筑在不同国家是有不同的标准。以美国为例子，只有达到24.6m 以上或是超过7层的建筑被称为高层建筑;而在英国，超过24.3m即可。就中国而言，高度超过27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的非单层厂房、仓库或其他民用建筑就被称为高层建筑。按层数可分为四类：第一类是低层住宅建筑（1-3层），第二类是多层住宅（4-6层）、第三类是中高层住宅（7-9层）、第四类是高层住宅（10层及以上）。

3  高层建筑的特点

高层建筑的主要特点是：一是建筑面积小。以沈阳市浑南区太一尚园社区为例，一栋楼分为两个单元，27层，每个单元有4户，共216户。按每户平均居住3人计算，一栋楼可满足648人的居住需求，是传统的7层高层复式住宅的三倍，总建筑面积不到一半。二是投资少，周期短。第三，在一些商住高层建筑或商业高层建筑中，如果相互靠近，可以设置高层连接通道，大大缩短出行时间，提高出行效率。

4  高层建筑的设计要点

4.1  建筑方面

在建筑设计这一方面，也有很多设计人员应该注意点：第一，要将防火的间距增加，这样就可以避免阳关的干扰，也要合理的设计相应的疏散通道和停车区;第二，按规范要求，在进行多层重复建筑布局统一，我们不仅仅要要满足高层建筑应该必须具备的功能要求，还要满足建筑主体结构、电气配线区、设备管线、消防疏散等竖向设计技术要求;第三，对于建筑的竖向交通中心也要布置的合理，这样对于使用质量和消防安全也是一个很好的保证;第四，由于有时候会发生地震、风力、温度变化，所以设计建筑物内外的结构、装修、材料和施工方法时，一定要将这些因素考虑进去，防止变形或相关安全问题;第五，在建筑设计中，建筑艺术也是设计师必要考虑的，因为这代表了建筑本身在城市和群体中的整体造型和形象效果。

4.2  结构方面

在建筑结构方面，我们有下面五点需要去注意。第一，应该要考虑自然环境的影响，比如地震或者刮风，在这两者的作用下，建筑会被动产生水平侧向力;第二，在建筑过程中，要设计好合理的建筑主体的宽高比，这样做视为了让建筑的稳定性更好;第三，建筑的质量是由平面、立体、整体、刚度的质量共同决定的，所以在建筑过程中考虑好这些方面的对称性，让建筑物没有任何的薄弱点;第四，适当处理地震、风力、温度变化、地基沉降等自然因素引起的建筑物变形节点;第五采取措施保证设计技术和施工条件的安全可靠。

5  常见问题

首先，水平荷载对整体结构的影响较大，即当建筑物高度增加时，建筑物内水平荷载产生的位移和强度也逐渐增大，如遇地震和强风时，高层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标准计算工程造价预算，将存在隐患。在此基础上，确定水平荷载对高层建筑的具体影响，应在实践中进行科学计算和论证。

其次，在框架-剪力墙体系中，连梁的刚度被削弱。在计算建筑物的内力和位移时，常用的计算方法是弹性计算法，然而，当用这种方法计算框架与剪力墙之间的连梁时，由于变形而产生的弯矩和剪力很大，因此用这些数据进行截面设计工作时，很可能无法保证精度。在此基础上，在计算中经常按一定比例降低连梁的刚度，一般的折减比例保持在55%以上。

第三，等效抗弯刚度是用简化分析方法分析高层建筑自振周期的重要因素。其含义是高层建筑结构体系受水平力的影响，会产生顶点位移现象。同时，建筑物的悬臂构件也会受到水平方向力的影响，产生顶点位移现象。如果两者的位移一致，则表示两者的弯曲刚度完全相等。在此基础上，将悬臂梁的抗弯刚度称为等效抗弯刚度。

第四，高层建筑的计算必须考虑侧向位移的极限值，即高层建筑的刚度必须符合有关标准，以防止结构在侧移较大时发生开裂、倾倒或结构中某些环节的损坏。基于此，高层建筑的峰值位移和各层间不同长度的侧向位移不能“无限延伸”，必须加以限制，才能保证结构的整体稳定。

6  分析方法

6.1  基于常微分方程求解器

这是一种非常强大的分析方法，可以十分有效的分析高层建筑力学，避免在分析设计时有任何关于精准方面的误差。但是这种方法使用起来的流程比较复杂，首先要使用能够有限元技术，利用能量泛函变分对偏微分方程进行离散，紧接着，将其转换成连接函数投标文件中的常微分方程组，最后，在使用常微分方程求解器求解。在高层建筑的力学分析中，该方法能有效地解决考虑楼层变化时的动静态计算和稳定性计算，与离散化方法相比，计算量大大减少。

6.2  基于有限条法和样条函数的分析方法

如果结构体系的几何形状和物理性质随高度的增加而有规律地变化，则可用有限条法进行分析。这种方式是沿着一定的方向，通过简单的多项式表达和计算;但是，在其他方向上，应使用级数法来表示和计算，并且级数应具有连续性、可微性和满足带端边界的条件。在计算分析中，技术人员应根据实际情况选择合理的结构体系，建立相应的模型，并使用连续等效物理常数和杆位移函数来简化计算过程。这样，结果的准确性肯定会提高。因此，样条函数常用于高层建筑的结构力学分析。

6.3  基于分区广义变分原理与分区混合有限元的分析方法

基于杂交元和非协调元，构造了广义变分原理。基于分區广义变分原理，构造了分区混合有限元分析方法。建筑结构体系的弹性分为势能区和剩余能区。位移单元应用于势能区，节点位移作为基本未知量。应力单元应用于剩余能量区，应力函数作为基本未知量。一旦界面同时触发位移和内力条件，根据相关的计算和转换模式，成功地建立了分区混合有限元基本方程。该方法适应性强，分区灵活，常用于框支剪力墙和支撑墙梁的力学分析。

6.4  高层建筑结构静力弹塑性分析方法

根据美国联邦应急管理局273地震评估方法和ATC-40报告，静态弹塑性分析，也称为推覆法，是介于弹性分析和动态弹塑性分析之间的一种方法。

7  结束语

本文主要分析了高层建筑设计的主要要点以及相应的方法。随着人口的增多、土地数量的减少，高层建筑必定是大势所趋。二我们所需要做的，就是要保证高层建筑的安全性，同时，也希望所有的设计人员共同努力，打造优秀完美的高层建筑。

参考文献：

[1] 郭丽明.浅谈钻孔灌注桩施工及质量控制[J].江西建材，2014（6）：93.