高层建筑结构施工力学探究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 高层建筑结构施工力学探究 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。 中国论文网 /8/view-12927002.htm 关键词：施工力学；高层建筑结 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 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。作橐幻判滦说难 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 疲它属于力学的范畴，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（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（ 区）进行结构分析，然后在（区）和 （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（区） ，新增 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 构件（ST2 ）按有限元（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（区）中有 ni -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 个构件与超级元（区）接触，接触面 为 G。因此（区）中 ni 个构件在接触 面上转化为（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。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 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