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建筑结构力学分析的难点和解决方法

来源:原创论文网 添加时间:2021-02-09

  摘    要: 随和城市化进程的加快,越来越多的高楼平地而起,原来矮小破旧的建筑追歼被各式各样的高层建筑所代替。当高层建筑的高度逐渐增高时,其侧向位移和内力也会随之增加,这对高层建筑的结构体系、材料用量以及工程造价等方面有着重要的影响,随着高层建筑的普及,人们开始重视起建筑结构中力学分析的问题。本文主要对建筑结构力学分析常见问题和分析进行探究,为实际的力学结构分析提供理论保障。

  关键词: 高层建筑; 结构力学; 常见问题; 分析研究;

  建筑是为人们提供居住,娱乐等活动的必要场所,人口的增长和经济的发展都伴随着建筑的层数的增加,越是人口众多的大城市,越是需要提供一些基础的娱乐活动场所,这些基础建筑进一步压榨大城市中的土地。为了减少大城市中土地缺乏带来的压力,城市中的建筑的楼层越来越高,结构也越来越复杂,结构力学分析能够帮助建筑建立更高的稳定性。

  1、 建筑的主要结构体系和适用范围

  在当前的建筑领域存在很多的建筑结构,这些建筑结构拥有各自的特点,这些特点符合他们的市场的需求,不同的建筑类型需要选择不同的建筑结构。丰富的建筑结构类型也丰富了当今社会的建筑的种类,更加多元化,给建筑施工提供了更多的选择性。

  1.1 、框架结构体系

  框架结构体系能够满足不同的建筑设计需求,是常见的建筑结构搭建方法。其具体的操作方法是将位于同个平面内部的立柱和横梁借用钢节点完成连接。因为建筑框架结构中的梁柱节点十分复杂且对于建筑整体效果至关重要,所以梁柱节点结构的模板安装工作变得比一般模板铺设工作复杂。为了降低工作难度可以依托节点进行钢筋绑扎作业。在此基础之上着手进行模板安装工作。注意事项有测量梁柱节点和楼板尺寸进行合理科学分类编号排序,根据编号对梁柱节点的自身数据进行分析进一步落实节点的模板方案。安装时可以采用工具式模板进行梁柱节点模板安装工作。保持钢筋绑扎加密区和节点区保持同一。还需要让箍筋的规格大小可以延伸到支座的直段和弯钩长短符合相关规定。但是在实际操作中很难实现这一点,主要是因为对于梁柱节点的监管不足以及节点施工使用的技术和设备不够成熟。
 

建筑结构力学分析的难点和解决方法
 

  1.2、 筒体结构体系

  在筒体结构体系中,其外围框架的主要构成就是密排柱和深梁构成的网格结构,这种筒体结构的刚度较大,其外部筒体相当于悬臂梁的作用,可独自承担起全部的水平荷载。这种结构由于其框筒结构体系的抗侧能力和抗扭刚度较大,大多数贸易中心和大型活动场馆都使用的该结构体系。

  1.3、 钢-混组合结构体系

  这种结构是结合混凝土和钢筋的优秀特质而得到的建筑结构体系,这种结构能够同时完成承担垂直方向和水平方向的荷载。常见的钢-混组合体系有带剪力墙的钢框架结构体系,钢混凝土核心筒组合,钢筋混迹凝土外框筒组合体系等形式。这种材料常见且造价不高又能带来稳定机构的建筑结构体系很受欢迎。

  2 、建筑结构力学分析的常见问题

  在当前的建筑中,建筑的结构影响了建筑的美观和承重,是整个建筑的灵魂,在进行建筑施工之前需要对建筑结构进行力学分析,保证整个建筑的承重在符合承重要求的同时尽量的简洁减少材料的无端损耗,控制整个建筑工程的成本。对当前的建筑结构力学分析中主要存在以下一些常见的问题。

  2.1 、水平荷载所产生的影响较大

  随着建筑高度的增加,其水平荷载产生的位移及内力也随之增加,这些变化对建筑材料的用量、建筑结构方案的确定以及工程造价等有着决定性的影响。由于建筑结构力的作用,会对下层材料产生挤压,下层材料的负荷增加,会使材料发生水平方向的位移,这个向下的作用力,也会作用到下层,使其内力发生改变。在建筑施工时需要对其水平荷载产生的力进行具体分析,根据各个材料的受力能力和弹性系数的不同,选择适合的建筑材料,更改优化自身的建筑结构方案,在承重保证的前提下,尽可能地减少工程的造价,提高施工的效率。

  2.2 、框-剪体系中连系梁刚度减弱

  力作用到物体上就会让物体产生内力和位移,在连续的力的作用下,物体会发生连续的位移,受力物体的内力和位移的计算一般是按照弹性计算的方法来计算的,在这个过程中,对整个结构采用的弹性刚度应一致。在混凝土框架-剪力墙这个特别的结构中,如果按照弹性方法去计算框架和剪力墙之间的连系梁,那么计算得到的弯矩和剪力都会比较大,从而为截面的设计带来困难。这种计算的误差会对截面的设计产生一定的影响,在这种影响之下,会影响整个建筑的结构,使建筑的受力计算产生误差。在计算混凝土框架-剪力墙这个特别的结构时,需要在计算时对连系梁刚度进行合适的折减,折减系数一般大于等于0.55.

  2.3、 等效抗弯刚度

  等效抗弯刚度是指当高层建筑结构体系由于水平荷载所产生的顶点位移和某一悬臂玩去杆件在相同水平荷载作用下产生的顶点位移相等时,那么两者的抗弯刚度也相同。在后期的简化分析方法和计算自振周期的过程中,会用到等效抗弯刚度,在建筑结构力学分析计算的过程中,由于许多建筑结构存在一定的相似性,因此为了提高计算和分析的效率,有时会对计算过程进行简化,相同等效抗弯刚度的悬臂杆件可以进行模型的转化,简化计算过程,提高计算效率。

  2.4、 侧向位移限值

  由于建筑材料之间的挤压和各种其他外力,很容易发生侧向位移的情况,由于情况的普遍性,对于一些比较微小的侧向位移,其实对建筑的整体结构不会产生大的问题,可以忽略。在建筑工程管理中,侧向位移是有一定的限值的,一旦超出这个限值,建筑结构就会变得不稳定。超出限值的侧向位移是高层建筑计算时必须重视的问题,建筑必须具备足够的刚度,以免因为侧面位移过大而导致建筑结构变得不稳定,建筑产生结构开裂、倾覆或是次要结构等破坏的现象。不同高度的建筑的侧向位移限值是不同的,楼层越高侧向位移的限值越低。要限制楼层的侧向位移的发生需对高层建筑的顶点位移和各层层间的相对侧向位移量进行计算限制。

  2.5 、剪力墙结构设计

  按照整体计算剪力墙、开口剪力墙、双肢剪力墙和组合剪力墙等四类剪力墙,都可以使用薄板模型进行模拟,该模型沿厚度方向均匀分布载荷,并在薄板平面中进行分析。这些区域可以细分为有限数量的几何形状。在有限元分析中,将划分为三角形和四边形(2D)的简单形状称为元素,并且这些元素通过节点和公共边连接。在研究问题的区域中,这些元素之间的连接称为有限元网格。在其他文献中,网格可以分为两类:结构化网格和非结构化网格。结构网格由几何上相似的三角形和矩形元素组成,并且特别适用于简单的形状和边界问题。结构化网格可以大大减少程序的执行时间,结构化网格可以用于边界复杂的区域。这种网格通常易于适应复杂的结构形状。为了解决这个问题,可以使用非结构化网格离散化具有内部边界的复杂区域。尽管非常耗时,但非结构化网格仍然适用于局部网格细化。这项工作的目的是通过在几何不连续处使用较小的元素,在其他区域使用较大的元素来获得剪力墙框架几何形状的高质量粗糙网格。

  2.6 、钢结构和钢筋混凝土建筑结构的位移与内力分析

  在实际的建筑结构中,钢结构的分析并不等同于钢筋混凝土建筑结构的分析,钢结构体系是由梁、柱构件、钢斜撑、钢板墙以及两力杆等构成,不同的结构之间可形成不同的结构体系,因而其分析方法较为复杂。在进行建筑结构力学分析的过程中不能将两者一概而论,要注重两者的具体差别,对其进行结构力学分析,这样才能保证建筑结构力学分析的准确性,减少建筑结构中因受力问题产生的各种位移和倾斜。这些位移越大,对建筑结构的稳定性的影响越大,会影响整个建筑的安全性。

  3 、建筑结构力学常见的分析方法

  3.1、 基于常微分方程求解器的分析方法

  基于常微分方程求解器的分析方法是现阶段高层建筑结构力学分析法中一种相当有效的分析方法,这种方法的误差较低,计算出来的结果的精度较高,利用方程的方法来进行分析求解,计算设计建筑的最优结构。在使用这种方法对建筑结构力学计算时,可以关注到楼板变成时的动、静力计算以及稳定计算等,具有较高的精度,符合市场的需求,而且计算量较离散化方法大大减少。

  3.2、 基于有限条法和样条函数法的分析方法

  有线条法和样条函数法是在遇到特定条件情况时,会采用的建筑结构力学分析方法,当遇到几何形状及物理特性沿高度方向较为规则的情况,可以使用有限条法进行建筑结构力学分析,这样的运算方式可以提高计算结果的精确性。

  3.3、 基于分区广义变分原理与分区混合有限元的分析方法

  分区广义需要注意解决弹性的问题。基本操作原理是将弹性合理划分为余能区,势能区这两个部分。针对势能区使用的位移单位被视为基础的变量。应力单元在余能区的作用效果则使用盈利函数进行变量表示。当两者的交界处达到内力和位移的相关要求,可以使用分区混合有限元完成基本方程的计算。这种适应性较强且方式灵活的计算方法能够有效适应托墙梁结构,框支剪力墙的结构设计。

  3.4、 建筑结构弹塑性动力分析方法

  弹塑性动力分析法又称为时程法,能够对潜在的结构变性进行分析预测,能够大大减少建筑结构出现问题的可能性,保证建筑结构的偏移在可控的范围之内。但是目前这种方法的实施性较差,相关的数据难以采集和收集,因此很难做到分析的准确性,也就逐渐被众人所放弃,在实际的建筑结构力学分析中很少使用到这种分析方法。

  3.5、 基于最优化理论的结构分析方法

  随着时代的进步,建筑结构分析方法的种类也日渐增加,还有许多的结构分析方法在原有的结构分析方法基础上融入了新的理论知识,对建筑结构力学分析方法进行了创新。结构最优化设计是当前最新适用面最广的新型分析方法,这种分析方法将飞速发展的计算机技术融入到了建筑结构力学分析的实践中来,这种分析方法可转被动的分析、检验为主动的“设计”。建筑剪力墙的建筑强度非常强,不允许像地下内壁一样进行个人钻孔,否则会破坏建筑物的整体结构设计并进一步威胁其稳定性。剪力墙是建筑结构中的重要阻力因素。用梁、薄板、柱子和其他组件构成建筑物的填充墙不是承重组件,而仅用于保持和分隔空间。其次,剪力墙的施工处理与一般墙的处理方法大不相同,剪力墙的内侧由混凝土增强筋组合而成,整体结构坚固,补强量和墙体强度有所不同,那是个大问题。通常,低层建筑不需要添加剪力墙,因为它们在施加力时会更稳定,而高层建筑(尤其是顶部)更容易受到风和地震的影响,剪力墙是必不可少的结构。

  4、 结语

  目前,我国的建筑结构力学的分析还处于逐步的发展的过程中,还存在着以上提及的一些问题,这些问题需要我国的相关的建筑结构力学人才进行研究和分析才能帮助建筑结构力学体系的完善和发展,在进行建筑结构的设计的过程中需要结合市场对功能和艺术的需求,进行符合结构力学和建筑美学的设计。在建筑结构力学的分析阶段需要负责人根据建筑结构的实际情况选择适合的结构力学分析方法。对高层建筑进行准确、合理的结构力学分析,不仅有利于结构设计方案的确定,而且能为高层建筑结构材料的使用数量、造价等方面提供理论依据,从而更好地促进高层建筑工程使用寿命和经济效益的提高。

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