高层建筑结构中的力学探究

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1建立施工力学计算模型

通过对高层建筑结构的调查研究，我们不难发现，在施建的整个过程当中，建筑结构的边界约束、载荷以及材料的整体刚度都在不断地发生着变化。同时，在施工中产生的误差同样会造成位移发生改变，建筑初期结构会发生徐变，上层对下层结构发生的变形没有任何约束作用，实际下层结构就是上层结构的一个支座。根据高层建筑结构这一受力特点，我们采用超级有限元-有限元藕合的方法来对施工的整个过程进行模拟。如,我们利用超级元，也就是Ⅰ区，对高层建筑结构的初始状态（我们称为ST1）进行结构上的分析，得到超级元与单元构件之间关系，其中包括位移和内力。接下来，我们按照有限元，或者说是Ⅱ区，对建筑物的递增构件（ST2）进行结构力学分析。随后我们在Ⅰ区和Ⅱ区之间进行藕合的协调工作，去完成在施工过程中不同条件下各个状态位移与内力的计算与分析，然后我们在以当前的结构ST3为起点，建立起一个新的超级元，新增构件(ST2)按有限元(Ⅱ区)，不断重复以上操作，直到满足我们需要。需要注意的是，递增构件的设置需要根据我们实际情况进行，并不是每个递增构件对应高层建筑的一层结构，它可以由若干个结构构成。

2超级有限元-有限元藕合介绍

超级有限元，在一些教材与文章中也有称作综合有限元的，它是在反应半离散以及半连续的结合法中一种比较新的方法。若按函数类型进行划分，超级有限元基本分为一维、二维和三维3种。按构件的类型进行划分，它又分为析架、框架和剪力墙等系统。鉴于超级有限元的分析方式类似，本文主要对框架分析进行讨论，主要研究它的三维超级元。首先，我们假设在一个递增的构件（Ⅱ区）当中存在若干个构件与超级元（Ⅰ区）相接触，我们设定构件个数为n，接触面的面积为S，那么根据最小势能原理，Ⅱ区中的n个构件在接触面上转化为Ⅰ区的广义自由度，可以用算式[K(t)]{δ}+[M(t)]{δ}={F(t)}来表示整个系统，其中刚度K与质量阵M为时间t的函数。

3时变时的施工力学分析

在考虑时变的情况下，由于刚度的时变能够引发内部应力的重新分配，因此，在某种程度上会对结构分析造成一定的影响。在工程进度不断向前推进时，部分构件的内力要比在忽略刚度时变时的内力数值要大，需要在建筑结构的设计中引起注意。我们也可以得出以下结论：

（1）在高层建筑结构的施工力学分析中，超级有限元-有限元藕合法是切合实际，十分可行的。由于该方法采用的是等参元位移的模式，因此该方法可以与其他的一些方法（比如有限条法、有限层法等）共同使用，其使用范围包括任意外形建筑，并可以同时推广到其他复杂的建筑结构当中去。

（2）随着建筑高度的不断增高，采用施工力学的方法与普通的力学方法之间对内力分布的分析差异不断增大，同时，在对刚度相对较小的框架构件进行分析时，施工力学分析方法的内力值普遍较小，而刚度大的框架构件，内力值又偏大，甚至内力的方向发生改变，其主要原因是在施工进度推进的过程中，建筑结构中的内力不断进行重新分配，作用力之间的约束减小而造成的。可见，在普通的力学分析方法中，是不能得出此现象，容易造成施工安全隐患。

（3）在施工的过程中，混凝土的刚度和强度会随着时间的变化而发生变化的，每个过程都存在不同刚度和强度的结构体系，建筑内力不断发生重新分配现象，框架构件的内力变化会对建筑结构的分析产生影响，必须予以重视。

4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，有待于我们进一步地探讨。

作者：戴刘毅单位：奇瑞地产有限公司