高层建筑结构力学分析方法

刘振军

唐山学院基础教学部河北唐山063000

摘要：随着科学技术的飞速发展，我国建筑行业迎来新的机遇与挑战，发展极为迅速。随着经济的快速发展和时代的进步，城乡一体化不断推进，我国各行各业都面临着机遇和挑战，建筑行业也不例外。随着城市规划发展的细致化，高层建筑越来越多，但我国的高层建筑还存在诸多不足，尤其是高层建筑结构力学分析方法还不够成熟。我国比较重视经验，相对于国外重视实验和研究不同，所以在高层建筑结构力学分析方法的理论层面研究仍落后于国外。分析常微分方程求解器、有限条法和样条函数法的分析方法，探讨分区混合有限元、高层建筑结构弹塑性动力和最优化理论的结构分析方法，以提升高层建筑结构力学的研究。

关键词：高层建筑；结构力学

引言

我国建筑行业之所以发展迅速，离不开国家经济建设的大力支持和政策的扶持，才有今天的局面和规模。尤其我国高层建筑的发展非常快，建筑物的数量和高度都在不断增加。对于建筑物而言，稳定性是最重要的，随着建筑物的高度越来越高，建筑物的侧向位移和内力会逐渐增加，当侧向位移和内力超过了建筑的承载力就会发生偏移。因此，提前计算好建筑的承载力是非常重要的，需要用到高层建筑结构力学分析方法。

1常微分方程求解器阐述

在建筑结构力学误差极限的处理过程中，建筑结构力学分析工作人员借助常微分方程求解器法能够制定出符合实际客户需求的建筑结构力学分析方案，这就使得在实际的建筑结构力学分析应用过程中，建筑结构力学分析工作人员往往会利用常微分方程求解器法对客户做出预先解答分析方案，在有效地提升预先解答精度的基础上，实现降低建筑结构力学误差极限的目的。除此之外，建筑结构力学分析工作人员将常微分方程求解器法应用在建筑物的建筑结构力学分析工作当中，能够有效完成建筑物结构楼板变形时所产生的动力、稳定性以及静力计算分析方案的目的，通过计算获取的建筑物结构楼板变形时的动力、稳定性以及静力数值从而有效实现数据化建筑结构力学分析以及处理的目的。与此同时，建筑结构力学分析工作人员在利用常微分方程求解器法时，能够有效的减少建筑结构力学分析工作时的诸如动力、稳定性以及静力等方面的数据处理量，不仅提升建筑结构力学分析运算效果，为建筑结构力学分析方案提供准确的数据支撑，还能够实现对建筑物结构的实时优化调整的目的。

2有限条法和样条函数法的分析方法

我国高层建筑的结构设计大多数都有规律，相似情况较多。因为建筑物的结构设计一般都是根据当地的气候条件、地质条件、水文条件等决定的，所以不同地域会有不同的建筑物设计。比如欧洲城堡较多，我国则是平台楼房较多。在高层建筑的结构力学上也存在着规律性，高层建筑结构设计普遍较为简单，在这种情形下，如果使用常微分方程求解器，就会使得运算变得复杂，产生病态方程组，使得计算过程变得更加困难，因此可以采用有限条法。有限条法是一种应用简单的运算分析方法，该方法采用的是最简单的多项式，因此可以实现有效的运算。另外，在有限条法的基础上还发展出一种方法，叫样条函数法。样条函数是一种分段多项式，与有限条法相比，它的应用更加广泛。有限条法和样条函数法的共同点是都可应用于存在一定规律性的高层建筑结构力学。

3分区广义变分原理和分区混合有限元的分析

包括杂交元和非协调元等不同类型的有限元在内，对于分区广义变分原理深入性解析有着不可小觑的影响作用。如有关技术人员可以确保凭借分区混合广义变分原理进行分区混合有限元法创新性设计，之后依照位移和杂交元法等处理程序，将弹性体顺势划分出势能和余能两类结构区域。其中前者主要沿用位移单元，并利用结点位移作为基础性的未知量；而后者则主张配合应力单元，将应力函数转变成为基础性的未知量。随后向区交界面添加不同类型的能量项，保证迎合积分意义下的位移和力的连续性要求之后，彰显出必要的收敛性，最终顺利地将总能量泛函为驻值，并形成以分区混合有限元法为核心的基础性方程。这类处理方式对于以不同特征分区混合形成的结构问题来讲十分适用。如底层作为框架剪力墙问题，就属于构造分区行列，此时技术人员要保证针对应力梯度较大的区域匹配应力单元，在应力梯度较小的部分设置位移单元，保证它们彼此发挥各自的优势之后，配合较疏的网络获取更高的精度。

4最优化理论的结构分析方法

前面的几种分析方法其共性都是被动的进行分析和研究，但是最优化理论的结构分析方法是一种主动的设计与模拟。该方法的基础是数学的最优化理论，简而言之，最优化理论的结构分析方法是在众多的结构设计方案中，寻找到一个最符合要求，使各项效果实现最优化的结构分析方法。它是在计算机技术的辅助下进行的，通过将一定空间中的建筑物结构进行极化设计，在此基础上做出相关分析，比如:将框架剪力墙结构中剪力墙进行最优数量分析和最优布置，从而使设计的结构产生最强的适应性。该方法最大的优点是可以抓住问题的本质，建立剪力墙最优刚度的数学模型，在某种程度上很有说服力。最优化理论的结构分析方法目前还在进一步的探索和完善中，其未来发展值得期待。

5高层建筑结构弹塑性动力分析方法

高层建筑结构弹塑性动力分析方法在我国的应用时间较长，随着相关科研工作的不断发展，高层建筑结构弹塑性动力分析方法也成为应用范围最广，且较为有效的方法之一。该方法较之前两种方法最大的不同之处在于获取数据不同，高层建筑结构弹塑性动力分析方法是通过地震波来收集相关的数据信息，得到的地震波信息无须进行二次处理，就可以直接使用。将数据套进结构中，运用数学和物理方法进行相关方程式的计算和分析，这样就可以得到相关的高层建筑结构力学信息。在不同的地震等级下，模拟出结构变化的情况，例如:弹性和非弹性的变化、结构构件的变化、结构变形情况的变化等。通过这些信息，可以有效地对高层建筑进行相关力学分析，从而实现高层建筑结构的抗震性和稳定性，保证建筑的安全性。但是这种方法也有一个非常大的弊端，就是太过理想化。因为这种方法获得的地震波是模拟的，不是真实状态下的地震波，因此虚拟的地震波得到的分析数据和实际的地震波会存在偏差，无法得到确切的数据进行准确的高层建筑结构弹塑性动力分析，目前，业界对该方法褒贬不一。许多国内外研究人员随机输入地震波是比较准确的，在此基础上进行模拟推测的数据也较为贴近实际情况，因此只要考虑相关的误差问题，在技术和相关设备上进行完善，未来高层建筑结构弹塑性动力分析方法就会得到大多数人的认同。

结语

目前，高层建筑结构力学分析方法呈现出一种明显的分类化倾向，比如:有限条法和样条函数法是针对有规律性的高层建筑结构力学进行分析。笔者列出的几种方法是目前关注度比较高的高层建筑结构力学分析方法，但是从发展方向上来看，高层建筑结构力学分析方法向着细分化、针对性、精简化、高效性的方向发展，随着科研工作的不断发展，未来或许还会出现更好的高层建筑结构力学分析方法。

参考文献：

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