探讨高层建筑结构施工的力学分析

探讨高层建筑结构施工的力学分析

韩克红

韩克红

淄博金泽房地产开发有限公司山东淄博255100

摘要：本文主要介绍了高层建筑结构施工的力学分析概述，高层建筑结构施工的力学分析意义，施工中结构的时变性，高层建筑结构施工面对的问题等内容，着重阐述了探讨高层建筑结构施工的力学分析，施工力学计算模型的建立，超级有限元-有限元法耦合法等内容，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。

关键词：高层建筑结构；施工的力学；分析

1前言

结构施工过程的力学分析属于施工力学的范畴，是力学理论与土木工程实践相结合而交汇发展起来的新型交叉学科，主要特征在于研究对象的几何参数、物理参数、边界参数，是时间的函数，是耦合时间与空间的四维力学问题。一般情况下，高层建筑在结构设计上的模型是采用建造好的结构，使其在使用的载荷下受力，以此作为计算模型的主要依据。但在实际操作中，即使是相同的结构，它们在施工中也会在力学状态的作用下产生差异。

2高层建筑结构施工的力学分析概述

近年来我国涌现出了越来越多的大型复杂钢结构建筑，如CCTV新台址主楼和国家体育场鸟巢等项目。对于这些大型工程，施工过程对竣工时结构内力和位形状态的影响更大，须加以考虑和控制。

2.1高层建筑结构施工的力学分析意义

通常高层结构设计是以建造好结构在使用荷载下的计算模型为依据。然而这是同结构在实际施工过程产生的力学状态有差异的。为此本文将采用超级有限元-有限元耦合法对高层结构进行施工模拟分析，按照施工顺序及施工时的实际情况进行力学分析，从而对保证结构建造全过程的可靠性和安全性，指导选用合理的施工方案，具有一定的理论意义和现实意义。

2.2高层建筑结构施工的力学分析必要性

以往的结构分析，是对一个已建好的完整结构进行的。一般高层结构层数高，规模大，施工过程复杂，在施工期不完整结构承受不断变化的施工荷载。以梁板系统的高层钢筋混凝土结构为例，随着楼层的不断增高，新装配或新浇注的楼层支撑在下面几层楼面上，此时整个建筑整体的抗水平部分还未形成，材料的刚度和强度还在变化，大量的施工设备和负荷还在施工作业面上，这样一种由未完成框架及支撑系统组成的暂态结构，常常是危险的。因此，如何使结构分析结果更能真实地反映高层建筑的实际力学性态，以保证设计的安全和经济，这正是近几年刚发展起来的一门新兴学科——结构施工力学所要解决的问题之一。

2.3高层建筑结构施工面对的问题

现代工程结构施工中需要用计算结构力学方法求解的一系列问题，统称为结构施工力学问题。由于施工力学与经典力学不同之处主要在分析对象的几何、边界及物理条件随时间而变化，其相应结构系统方程中的刚度阵、质量阵和阻尼振中的元素是时间的函数。因此，高层建筑考虑施工力学问题后，均可按照施工顺序及施工时的实际情况进行模拟分析，为结构的合理设计，保证结构建造的安全性和可靠性，指导选用合理的施工方案创造了条件。

2.4施工中结构的时变性

施工中的结构具有时变性，这种特性主要体现在4个方面:

2.4.1几何模型时变性，即下部结构向上部结构施工延伸，伴随刚度矩阵、边界约束条件等也在不断变化;

2.4.2材料性质时变性，即现浇混凝土材料硬化过程的刚度以及混凝土收缩、徐变等的变化;

2.4.3荷载状态时变性，即随施工过程向上延伸添加构件自重加载、施工活荷载以及材料堆载;

2.4.4临时支撑体系．以上4点变化的存在增加了结构分析的复杂性，每一个施工步都使得结构内力不断进行重分布．把握结构各构件在整个施工过程中的应力变化规律以及最大值问题，已经成为施工控制的先决条件。

3探讨高层建筑结构施工的力学分析

3.1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，对上层起着一弹性支座的作用。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)用超级元(Ⅰ区)进行结构分析，建立起单元构件和超级元之间的位移和内力关系;递增构件(ST2)按有限元(Ⅱ区)进行结构分析，然后在(Ⅰ区)和(Ⅱ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(Ⅰ区)，新增构件(ST2)按有限元(Ⅱ区)，重复以上过程直至达到所需要求为止。

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构件，一系列基本计算结构都应满足上述组成关系。

3.2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，其它结构型式如框—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(Ⅱ区)中有ni个构件与超级元(Ⅰ区)接触，接触面为G。

3.3时变的施工力学分析

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：

3.3.1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。

3.3.2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。

3.3.3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

综上所述，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。

参考文献：

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[2]杨力.高层建筑施工技术分析[J].山西建筑，2016（09）.

[3]李洪录.高层建筑施工技术要点分析[J].科技致富向导，2016（03）.

[4]喻永声.考虑建造过程的多重子结构分析矩阵.计算结构力学及其应用，2016，14(3):36～44.