高层建筑结构力学分析的发展现状研究

高层建筑结构力学分析的发展现状研究
摘要：近年来，随着国民经济的稳定增加，建筑行业得到有效发展，也让我国
城市化建设不断加快。

高层建筑是城市化建设的重要组成部分，当建筑物的高度
不断提升，相应的侧向位移和内力也会随之增加，这样会影响到高层建筑整体结
构的稳定性。

所以为确保高层建筑的结构稳定，针对其开展结构力学研究分析工
作很有价值。

本文首先介绍高层建筑的概念和特点，结合我国高层建筑结构在力
学分析的现状，提出常见的几种力学分析方法。

关键词：高层建筑；结构力学分析；常见方法
前言：城市化进程的加快，使得高层建筑数量与日俱增。

但是随着高度的增加，高层建筑的内力和侧移都会相应改变，如果高层建筑持续升高，会产生很大
的侧向位移。

因此，在水平荷载下，所产生的内力和侧移决定高层建筑结构体系、施工造价以及材料用量的关键因素。

决定高层建筑结构的是刚度要求，而不是建
筑材料自身的强度，并刚度的大小来自于高层建筑的结构体系，所以，如何选择
科学合理、经济实惠的高层建筑结构体系，并且针对其开展科学有效的力学分析
工作是整个高层建筑结构设计的重中之重。

1 高层建筑的概念与特点
高层建筑指的是高度超过27米的住宅建筑以及高度超过21米的非单层厂房
或者其他民用建筑。

根据楼层数量可以将住宅建筑划分为四种类型，1到3层为
低层住宅，4到6层为多层住宅，7到9层为中高层住宅，10层及以上为高层住宅。

我国《高层建筑混凝土结构技术规程规定》中明确规定，高层建筑结构指的
是10层及以上或者高度超过28米的住宅建筑，高度超过24米的其他民用建筑
混凝土结构，如果这些建筑物的高度超过100米，可以将其称为高层建筑。

国外
对于高层建筑的标准与我国存在一些差异，美国认为高度在24.6米以上或者楼层数量多于7层的建筑便可称为高层建筑。

日本认为高度在31米以上或者楼层数
量多于8层的建筑便可称为高层建筑。

英国认为只要高度不低于24.3米的建筑物都可以称为高层建筑[1]。

高层建筑的特点具体包括几方面：其一，占地面积相对较小，相比其他建筑物，高层建筑在用地面积方面使用的比较少，用地成本相应的也比较低，所以高
层建筑可以在城市中心的位置进行建设。

其二，投资比较少，整体工期比较短。

其三，在建筑内部横纵交涉的交通能够减少两个部门之间的距离，让人口更为集中，使得作业效率得以提高，
2 高层建筑结构力学分析的常见方法
2.1 基于常微分方程求解器的分析方法
常微分方程求解器是高层建筑结构力学分析的主要方法之一。

到目前为止，
国内外学者已经对此进行的深入研究，并且该分析方法已经趋于完善成熟，应用
效果也比较良好。

具有非常强大的功能，特别是自适应求解，能够满足大部分用
户对于解答精度所指定的误差范围[2]。

包世华教授在高层建筑结构力学分析方面
有着很深的研究，通过常微分方程求解器解决了许多问题，比如动力计算、静力
计算以及稳定计算等。

每一个问题的计算量都非常巨大，由于这些方程组数比较少，利用常微分方程求解器有者很大的优越性。

通过有限元技术，以及能量泛函
的变分，之后将所控制的偏微分方程半离散化为用结线函数来表示的方程组，在
利用常微分方程求解器来进行计算，该方式也叫做有限元线法。

将其应用到高层
建筑筒体结构的力学分析中也取得较好的成效。

2.2 基于有限条法和样条函数法的分析方法
半解析法是离散和解析相互融合的方法，通过力学的方式可以减少方程组的
结束，防止有限元过度运算，也可以有效规避计算污染，让计算结果进行恶化。

高层建筑中有时候会遇到物理特性顺着高度方向较为规则或者几何形状的情况，
这是英语有限条法比较合适。

只需要顺着方向应用简单多项式，其他方向要符合
相关要求。

选择合适的结构计算模型，以及条元的位移函数，这些都是提高计算
精确的有效措施。

相比有限单元法，样条函数法具有计算量小、通用性强、收敛
紧凑以及系数矩阵系数等特点。

所以，所得出的计算结果更贴合实际，简单高效，应用范围较广。

2.3 基于分区广义变分原理与分区混合有限元的分析方法
近年来，杂交元和非协调元的有效发展，让分区广义变分原理也得到更加深
层次的分析研究。

在分区混合广义变分原理的基础上提出新的观点，也就是分区
混合有限元法。

该方法可以将弹性体划分为两部分：余能区和势能区。

余能区通
过应力单元，将应力函数当作基本未知量，通过引入附加能量的方式，让积分意
义符合位移和力的标准，使得收敛性得到保障，之后取总能量泛函来作为驻值并
构建方程。

该方法具有非常强的适应性，有效的保障方程的收敛性。

常用于托墙
梁结构或者框支剪刀强结构等，比较棘手发生的问题，都可以利用分区混合元法
而且效果也比较好[3]。

2.4 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法也被称为时程法。

该方法在我国得到深入研究，其应用范围也在不断扩大。

该方法主要是将地震波记录直接输入结构，在计
算过程中，考虑墙体结构的弹塑性，并以此为基础构建动力方程，通过积分法计
算出在地震时结构的速度、位移和加速度的变化情况，进而对强震作用下结构在
不同阶段的内力变化，以及构件从裂缝直到倒塌的全过程[4]。

站在理论角度分析，该方式具有许多优点，比如可以发现建筑结构中的薄弱环节，对于结构延性和变
形的分析比较贴合实际，预计情况和实际相差无几。

层模型是结构计算模型比较
常用的模型，考虑到楼板变形情况，可以将并列多质点计算模型纳入研究工作中，还可以考虑最基础的转动和平移，将上部结构、土体和基础等都纳入考虑范围的
耦合振动也获得较好的效果。

结论
现阶段，我国对于高层建筑结构力学分析的研究还不够深入，仍然停留在初
期阶段，只是将现有的计算理论融入到被动设计，这种方式效果不够显著，根本
无法满足新时代高层建筑的发展需求，而且随着技术功能和艺术品质的不断发展
革新，更需要现代化、科学化的结论力学分析理论来作为技术支撑。

所以，我国
还需要对高层建筑结构力学分析进行深入研究，通过实践来对其完善补充进而推
动高层建筑结构的健康发展。

参考文献
[1]张继超,张泽鹏.高层建筑结构力学分析常见问题及分析方法[J].四川建
材,2019,45(05):82-83+97.
[2]杨圣飞.现代高层建筑结构力学分析方法的探讨[J].住宅与房地
产,2019,531(09):278.
[3]曹晞雍.考虑施工荷载作用的超高层建筑施工力学性能数值模拟[J].建筑施工,2019,041(006):1166-1167,1170.
[4]吕炜磊.加强层对筒中筒结构受力性能的影响研究[D].2019.
作者简介：库腾飞，男，安徽安庆人，本科，工程师，工民建高级结构方向。