浅析高层建筑结构力学分析方法

（陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

随着我国经济快速发展，建筑工程逐渐增多，现如今高层建筑已经取代了小规模的建筑并在一定程度上促进了我国建筑行业的发展，结构力学、应力及物体侧向移位等知识随着高度的增加也在不断地上涨。高层建筑因整体较高，所以侧向移位和应力对自身房体的影响较大，严重的还会在一定程度上加大材料及设计结构的支出情况，所以对高层建筑的设计规划应该重视设计规划的科学性，而不是传统模式下只重视结构的强度，以至于对之后的施工造成影响。所以，对高层建筑结构体制来说有效的控制成本支出及合理的对力学进行分析是目前的重点。

1 高层建筑结构的特点

首先我国高层建筑占地面积较小，甚至在实际建筑可以在市中心区域进行选址施工，有效的减少了传统建筑中浪费地面积的情况，且在建筑时用的时间较少，在高层建筑中其可以通过横竖向安排节省之后使用人员之间的距离，让人口集中，有效的沟通交流，提升工作的质量。当我国建筑工程达到一定层次和高度时，因建筑之深具有一定的科学性，其发挥的功能和经济都是不同的，所以在实际设计中相关人员应该结合当地的情况制定设计的内容，合理的进行布局，在提升安全系统的同时，充分地发挥建筑功能。

在对高层建筑进行设计时，首先要重视设备和电气的使用，相关设计师要结合建筑预定的目标和功能进行设计，如在设计建筑自身供暖和排水时，要根据建筑的高度和宽度对管道的压力选择良好的施工材料，提升其耐用性。在设计通风系统时，设计师要考虑风力设备对建筑内部造成的影响，如在风力增大时相关空气压力及热气压力也会发生一定变化，且这些变化会对之后计算散热量造成影响。最后设计师要重视消防系统，避免出现问题无法及时的控制，且对供水系统要根据楼层的布局合理的进行设计，避免对之后对结构分析造成影响。现如今，在对高层建筑结构设计时，相应该确保建筑结构的安全性，并在设计时对建筑的宽、高、长等严格的规划，避免在受到巨大自然灾害是对建筑侧向力造成影响，其次要重视建筑的立面和平面的对称，减少建筑结构出现薄弱点，当受到外力侵袭时造成不可逆的后果。最后对于一些地质较深的地方相关设计人员应制定问题方案，保证在之后施工过程中能对一些自然沉降造成的建筑变形进行处理，确保施工的安全性和标准性。

2 高层建筑结构体系及使用范围

2.1.钢筋混凝土及钢筋混凝土框架-剪力墙结构

首先钢筋混凝土剪力墙结构是我国高层建筑工作中常见的结构体系，其剪力墙结构又叫横向建筑水平力承担实体墙体，其不仅能由框架进行支撑还能直接站立在基础上，从而适应大空间的需要，其也被叫为结构墙。对剪力墙来说其不仅与建筑的连接性较高，截面也比较大，由于剪力墙的抗侧能力比传统技术的应用质量较高，其被广泛的用于高层建筑工程中，如我国使用混凝土剪力墙结构的建筑有高层房屋、大型酒店等。其次对钢筋混凝土的框架来说剪力墙结构体制是由剪力墙自身和混凝土框架一起承担建筑横纵向水平及抗侧力结构，此外应用混凝土框架可以获得和剪力墙一样的优点，在实际工作中其不仅对框架布置较为灵活，其抗侧力也较高，得到了建筑工程的广泛好评，对于钢筋混凝土框架剪力墙结构来说，目前其大多应用于写字楼、学校等建筑中。

2.2.钢混、框架及巨型结构

钢混结构体系通俗来说就是由混凝土结构和刚结构融合组成的钢筋混凝土结构体系，其最常见的组合就是钢筋混凝土外框筒组合、钢筋混凝土核心筒组合、剪力墙钢框架结构、剪力墙钢框架结构及钢筋混凝土核心筒融合组合体系，且以上几种结构可以有效地提升竖向上、抗水平的能力。对框架结构来说其主要是在一个固定平面内将竖柱和横梁的水平面连接起来，形成一种新的体系，且这种组合布置结构较为灵活，大多属于杆系结构，多用于建筑面的内外墙，适合一些楼层较低的医院、酒店和学校办公楼等。最后对框架结构来说，顾名思义就是由很多个大型的竖向支撑结构及梁式楼层融合形成的一个大型框架结构，最著名的代表建筑就是广东的亚洲大酒店。

2.3.简体结构

对简体结构的外围框架来说，其主要就是由深梁和密排柱两者构成的一种网格机构，这种简体建构因自身刚密度较大，其简体自身可以直接用于悬臂梁中，可以单独承载全部的水平荷载。其次简体建构自身可以分为几个内容：简中简结构、简体框架结构、框筒结构及衔架式简体结构，从这几种结构来看，简中简结构是将两个以上的筒体融合形成一种竖向的城中结构模式，这种模式在荷载下的受力较强，同等于混凝土框架剪力墙结构。对简体框架结构来说，其主要的表现是虽然建筑外框的架柱较大，但内部结构较稳，其使用的核心是剪力墙，抗侧能力较强。框筒结构对于抗扭和抗侧的刚度较强，适合一些需要大场地、人员较多的地点。衔架式简体结构主要是通过一定的大斜面和建筑工程四周的外柱进行连接，以此承担大部分建筑的剪力，且斜面的承受力是竖向的，所以应用这种结构可以有效地延缓和消除剪力带来的影响，最后对于简式结构来说，其是由多种框筒融合形成的一个结构体系，这种结构可以有效的抵抗弯力、剪力带来的影响。

3 高层建筑结构力学分析的问题

首先就是高层建筑结构分析中的等效抗弯刚度，对我高层建筑来说，其在后期简化分析方式及计算自振周期中，会在一定程度上用到抗弯刚度，抗弯刚度总体来说就是当高层建筑的结构因为水平荷载的影响出现了顶点位移问题和某个悬臂杆因为水平荷载的影响出现顶点位移情况时，两者的抗弯度相等，且这时候悬臂杆的抗弯度等同于等效抗弯度。第二对于剪力墙框架中剪力墙体系的翼缘有效宽度来说，其横纵剪力墙的框架互相连接是在高层建筑剪力墙结构中的问题之一，当出现此类问题时，相关工作人员应该充分地对自身建筑进行检查，并将纵墙的部分作为横墙的翼缘，相反也是同样状况，最后当剪力墙和柱装配连接成功，则就不用考虑翼缘带来的好处了。第三，对高层建筑钢筋混凝土结构及钢结构进行分析相关高层建筑结构位移情况，目前来看在我国高层建筑结构中，相关钢结构的分析结果并不等于钢筋混凝土结构结构的分析结果，且高层建筑中钢结构一般是由梁柱构建及钢墙和钢斜撑为主组成的内容，不同结构、不同组成之间可以变成不同的结构内容，所以对于此类方式进行分析较为困难和复杂。

第四，水平荷载产生的因素对我国高层建筑的影响较大，随着社会快速发展，人们的经济逐渐提升，建筑也逐渐兴起，打破了传统建筑中想都不敢想的高度，且在此类过程中，水平荷载产生的位移和内力问题也逐渐显现出现，如果出现此类问题将会对整体高层建筑工程造价、材料的使用情况及最终的规划结构方案都容易造成一定影响，对于剪应力分布不均的情况来说，在我国高层建筑剪力墙结构中常常会碰到剪应力数据分配不均的问题，如在建筑中考虑翼缘的宽度将会呈现不同形式的剪力墙截面等。第五，在高层建筑中简体结构联系梁刚度较弱，目前来看，我国建筑中对于位移和内力的计算大多是弹性计算方式，在此类过程中，整体结构使用的弹性刚度一样，在实际的混凝土框架剪力墙结构中，如果按照传统方式中弹性的方式对框架和剪力墙之间的连系梁进行计算，那么最终弯力及剪力的数据计算内容将比较大，从而为之后建筑截面的设计造成一定的影响。所以在实际建筑计算时，相关人员应该对连系梁的刚度适当的进行缩减，但减少的具体数字要按照标准来进行。最后就是对于侧向移位较限制，侧向移位是我国高层建筑计算中的重要问题，且高层建筑必须要对刚度进行准确设定，降低因建筑侧面位移所产生的结构开裂及对结构造成破坏的现象出现，所以在实际高层建筑中相关人员要对顶点位移及侧向位移进行适当的设定和限制。

4 高层建筑结构中常用的力学分析方式

4.1.优化结构分析及弹塑性动力分析

首先对优化结构分析来说，其主要是将目前先进的网络计算机技术及数学理论方式结合，从而形成的一种设计方式，使用这类结构分析方式可以更好的对高层建筑结构力学进行分析，优化传统的分析方式将原来检验分析转为规划设计分析，通俗来说就是通过此类方式对建筑的结构进行检验和规划。此外使用最优化结构分析可以对高层建筑结构力分析打下一个基础，并让小重量材料产生大刚度。其次对弹塑性动力分析来说，我国近几年建筑中对其的使用和研究较多，并得到了广泛的好评，但目前来看，弹塑性分析还存在一定不足，如在实际的高层建筑施工中对于一些参数数据无法准确的收集，其中最具代表性的难收集数据就是对高层建筑未知的历史震动强度数据。

4.2.分区混合有限元及分区混合广义的分析

目前来看，快速发展的分区混合广义分析方式主要是因为非协调元和杂交元的发现技术，且分区混合有限元分析方式是目前出现的新型分析方式之一，此类分析方式可以针对分析对象的不同区分为两个不同的类型，如余能区和势能区，首先余能区的计算方式是对于应力单元来计算的，在每个计算点通过函数作为主要方式以此为求解提供未知因素，而势能区是对于唯一的单元来进行的，并在每个计算的节点将位移产生的量度作为求解的因素。以上这两个区之间的交接是增加额外的能量元素项，且其保证位移和应力相互的约束条件就是通过积分来计算。现如今使用分区混合机有限元分区混合方式可以有效地对我国高层建筑的结构力学进行分析，且其还具有一定的收敛性及便捷性，此外我国大多数高层建筑中都在使用此类方式，并得到了广泛的好评，其不仅可以计算各个墙壁的应力集及托墙梁的承重情况，还能计算相关支撑墙壁的剪切力等问题。

4.3.有限条、样条函数及常微分方程求解器分析

首先在高层建筑结构分析中使用有限条分析可以有效解决高层建筑中某些位置存在的几何形状问题，且有限条分析方式的计算较为简单，针对几何形状的规则结构使用的是多元化的方式，几何结构非规则则是根据相关条件创建函数。在使用有限条方式对高层建筑结构的力学进行分析时，要选择适合的求解模式、物理常数及函数。此外样条函数分析方式属于多段式分析，相比有限条分析，其对于函数位移曲线的融合连接较为圆润，所以样条函数具有求解较快、稳定性连续性较强的那个特点，且其在我国高层建筑结构力学分析中得到了广泛的使用并获取了一致的好评。其次对常微分方程求解器来说其适应性相比以上两个方式较强，能最大程度满足使用人员的要求。在高层建筑结构力学分析中应用此类方式可以将楼板的变形方式计入求解过程中，保证分析的结果，和传统离散分析方式进行对比，传统的求解速度会因计算的内容变多而变慢，无法发挥出高层建筑结构力学分析的价值。

5 结束语

由此可见，随着我国经济快速发展，城市化建设逐渐提升，高层建筑已经成为了社会发展一个必要。目前来看，我国对于高层建筑结构力学的分析还在使用传统的计算模式，其已经无法满足高层建筑的艺术及技术功能的融合需求，所以相关工作人员在实际工作中要根据自身建筑结构的情况选择适合的结构力学分析方式，从而促进我国高层建筑持续稳定发展。