摘 要：隨著城市經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，高層建筑物層出不窮，隨之而帶來的問題就是對高層建筑物的設(shè)計(jì)問題，本文將對高層建筑物結(jié)構(gòu)施工中的力學(xué)問題進(jìn)行分析，保障施工的合理安全。

關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；施工力學(xué)；力學(xué)分析

中圖分類號：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-3362（2013）12-0141-01

通過對高層建筑結(jié)構(gòu)施工的調(diào)查研究，我們發(fā)現(xiàn)隨著高層建筑物的增加，越來越需要我們對高層建筑物的結(jié)構(gòu)施工進(jìn)行深入的研究，尤其是在施工力學(xué)的分析方面。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)施工力學(xué)簡述

一般情況下，高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的模型是采用建造好的結(jié)構(gòu)，使其在使用的載荷下受力，以此作為計(jì)算模型的主要依據(jù)。但在實(shí)際操作中，即使是相同的結(jié)構(gòu)，它們在施工中也會在力學(xué)狀態(tài)的作用下產(chǎn)生差異。

我們都知道，高層建筑結(jié)構(gòu)具有層數(shù)高、規(guī)模大的特點(diǎn)，使得整個(gè)施工過程變得較為復(fù)雜。在施工中，沒有建設(shè)完整的建筑結(jié)構(gòu)會受到來自不斷變化的施工載荷的影響。因此在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，以一個(gè)已經(jīng)建設(shè)好的模型進(jìn)行力學(xué)分析顯然是不科學(xué)的。我們來舉個(gè)例子，在高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，作為梁板系統(tǒng)，隨著建設(shè)樓層高度的增加，新樓層中的新增加的支撐是在之前建造的底部樓層上，整個(gè)樓體結(jié)構(gòu)的抗水平部分沒有形成，還會發(fā)生材料剛度以及強(qiáng)度的變化，樓體負(fù)荷情況也在發(fā)生著變化，而這些變化都是由一個(gè)未形成的框架以及支撐進(jìn)行，很容易發(fā)生危險(xiǎn)。這就需要施工力學(xué)對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以先行的預(yù)算分析確保施工安全。

作為一門新興起來的學(xué)科，施工力學(xué)有著它特有的特點(diǎn)，它與經(jīng)典的力學(xué)不同，它所分析的對象，是隨著時(shí)間改變而在不斷變化的，因此，它所分析的對象（包括質(zhì)量陣、剛度陣、阻尼陣）在結(jié)構(gòu)方程上都為時(shí)間的函數(shù)。它的目的主要在于反應(yīng)高層建筑結(jié)構(gòu)在施工工程中不斷變化的實(shí)際力學(xué)的狀態(tài)，以此來保障施工的安全。

在對建筑物進(jìn)行施工力學(xué)的分析時(shí)，我們要按照建筑的實(shí)際施工順序都其受力過程進(jìn)行模擬分析，在分析的過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，對實(shí)際的施工過程起到指導(dǎo)監(jiān)督的作用。同時(shí)，施工力學(xué)的分析也包括了對建筑物的拆除工作，按照合理的順序進(jìn)行拆除，確保人員和財(cái)產(chǎn)不受到傷害，也是施工力學(xué)分析的一部分。

2 建立施工力學(xué)計(jì)算模型

通過對高層建筑結(jié)構(gòu)的調(diào)查研究，我們不難發(fā)現(xiàn)，在施建的整個(gè)過程當(dāng)中，建筑結(jié)構(gòu)的邊界約束、載荷以及材料的整體剛度都在不斷地發(fā)生著變化。同時(shí)，在施工中產(chǎn)生的誤差同樣會造成位移發(fā)生改變，建筑初期結(jié)構(gòu)會發(fā)生徐變，上層對下層結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形沒有任何約束作用，實(shí)際下層結(jié)構(gòu)就是上層結(jié)構(gòu)的一個(gè)支座。

根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)這一受力特點(diǎn)，我們采用超級有限元-有限元藕合的方法來對施工的整個(gè)過程進(jìn)行模擬。如，我們利用超級元，也就是Ⅰ區(qū)，對高層建筑結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)（我們稱為ST1）進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的分析，得到超級元與單元構(gòu)件之間關(guān)系，其中包括位移和內(nèi)力。接下來，我們按照有限元，或者說是Ⅱ區(qū)，對建筑物的遞增構(gòu)件（ST2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。隨后我們在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間進(jìn)行藕合的協(xié)調(diào)工作，去完成在施工過程中不同條件下各個(gè)狀態(tài)位移與內(nèi)力的計(jì)算與分析，然后我們在以當(dāng)前的結(jié)構(gòu)ST3為起點(diǎn)，建立起一個(gè)新的超級元，新增構(gòu)件（ST2）按有限元（Ⅱ區(qū)），不斷重復(fù)以上操作，直到滿足我們需要。

需要注意的是，遞增構(gòu)件的設(shè)置需要根據(jù)我們實(shí)際情況進(jìn)行，并不是每個(gè)遞增構(gòu)件對應(yīng)高層建筑的一層結(jié)構(gòu)，它可以由若干個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

3 超級有限元-有限元藕合介紹

超級有限元，在一些教材與文章中也有稱作綜合有限元的，它是在反應(yīng)半離散以及半連續(xù)的結(jié)合法中一種比較新的方法。若按函數(shù)類型進(jìn)行劃分，超級有限元基本分為一維、二維和三維3種。按構(gòu)件的類型進(jìn)行劃分，它又分為析架、框架和剪力墻等系統(tǒng)。鑒于超級有限元的分析方式類似，本文主要對框架分析進(jìn)行討論，主要研究它的三維超級元。

首先，我們假設(shè)在一個(gè)遞增的構(gòu)件（Ⅱ區(qū)）當(dāng)中存在若干個(gè)構(gòu)件與超級元（Ⅰ區(qū)）相接觸，我們設(shè)定構(gòu)件個(gè)數(shù)為n，接觸面的面積為S，那么根據(jù)最小勢能原理，Ⅱ區(qū)中的n個(gè)構(gòu)件在接觸面上轉(zhuǎn)化為Ⅰ區(qū)的廣義自由度，可以用算式[K（t）]{δ} + [M（t）]{δ}={F（t）}來表示整個(gè)系統(tǒng)，其中剛度K與質(zhì)量陣M為時(shí)間t的函數(shù)。

4 時(shí)變時(shí)的施工力學(xué)分析

在考慮時(shí)變的情況下，由于剛度的時(shí)變能夠引發(fā)內(nèi)部應(yīng)力的重新分配，因此，在某種程度上會對結(jié)構(gòu)分析造成一定的影響。在工程進(jìn)度不斷向前推進(jìn)時(shí)，部分構(gòu)件的內(nèi)力要比在忽略剛度時(shí)變時(shí)的內(nèi)力數(shù)值要大，需要在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中引起注意。我們也可以得出以下結(jié)論：

（1）在高層建筑結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)分析中，超級有限元-有限元藕合法是切合實(shí)際，十分可行的。由于該方法采用的是等參元位移的模式，因此該方法可以與其他的一些方法（比如有限條法、有限層法等）共同使用，其使用范圍包括任意外形建筑，并可以同時(shí)推廣到其他復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中去。

（2）隨著建筑高度的不斷增高，采用施工力學(xué)的方法與普通的力學(xué)方法之間對內(nèi)力分布的分析差異不斷增大，同時(shí)，在對剛度相對較小的框架構(gòu)件進(jìn)行分析時(shí)，施工力學(xué)分析方法的內(nèi)力值普遍較小，而剛度大的框架構(gòu)件，內(nèi)力值又偏大，甚至內(nèi)力的方向發(fā)生改變，其主要原因是在施工進(jìn)度推進(jìn)的過程中，建筑結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力不斷進(jìn)行重新分配，作用力之間的約束減小而造成的。可見，在普通的力學(xué)分析方法中，是不能得出此現(xiàn)象，容易造成施工安全隱患。

（3）在施工的過程中，混凝土的剛度和強(qiáng)度會隨著時(shí)間的變化而發(fā)生變化的，每個(gè)過程都存在不同剛度和強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)體系，建筑內(nèi)力不斷發(fā)生重新分配現(xiàn)象，框架構(gòu)件的內(nèi)力變化會對建筑結(jié)構(gòu)的分析產(chǎn)生影響，必須予以重視。

5 結(jié)語

從以上的論述我們可以看到，在對高層建筑進(jìn)行力學(xué)分析中，施工的過程對建筑結(jié)構(gòu)的影響也很大，常規(guī)的計(jì)算分析方法沒能將施工的因素考慮到其中，容易造成事故，對施工力學(xué)的分析在高層建筑中極為重要，但如今仍很缺乏深入地研究，有待于我們進(jìn)一步地探討。

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