[摘要] 在高层建筑的设计中，确保静强度满足要求之外，提出了继续对结构进行模态分析和固有频率计算的措施。本文选择某高层建筑为研究案例，在三维软件中构建了实体模型，分析研究优化设计。
摘要：为防止高层建筑因为共振原因造成破坏，应进一步提升建筑结构的安全系数。在高层建筑的设计中，确保静强度满足要求之外，提出了继续对结构进行模态分析和固有频率计算的措施。选择某高层建筑为研究案例，在三维软件中构建了实体模型，采用模态分析法作为仿真方法。在应力作用和无应力作用的两种条件下，计算出了该建筑的1～5阶模态和固有频率。结果显示，建筑的固有频率与自身属性关系比较大，应力的影响较小。所以，根据计算结果，可以从自身属性(如形状、材料等)进行改进，实现优化设计，提升建筑的安全性能。
关键词：高层建筑;固有频率;三维模型;应力
对于高层建筑结构而言，影响其质量的关键因素包括：强度性能、刚度性能以及稳定性等。各设计要素决定着该建筑的使用寿命和安全性。因此，在高层建筑的结构设计方面，如何提升建筑的安全系数，一直都是设计研发的关键。一直以来，人们在如何确保建筑物的良好强度性能方面，做了大量的研究工作。例如：文献[1]采用了三种混凝土强度检测方案，为建筑工程的材料选择和施工提供了可靠的质量保证;文献[2]从提升建筑结构稳定性方面，提出了关于建筑结构的力学分析法，达到了进一步提升建筑结构强度的目标;文献[3]针对钢结构建筑，在考虑震动因素前提下，提出了关于承载力分析的有限元法，结果的计算准确率和效率都有较大的提高。上述研究表明，人们在建筑结构的强度方面，取得了丰富的成果，极大地提升了建筑的安全系数。然而，当建筑物施工完毕并投入使用之后，实际承受的载荷情况是多样化的。例如：当风作用在建筑物上时，建筑物承受的是风载荷;当地震来临时，建筑物承受对应的动载荷。在建筑设计和选材的时候，由于材料的许用应力较大，通常情况下这些载荷不会超过建筑物本体的许用应力。但是，这些载荷的动力源却存在共同的特点，即频率特征，无论是风力还是地震的作用，都会使高层建筑发生振动。在这种条件下，如果建筑物自身的固有频率接近于外在动力源的固有频率值，则会产生共振的风险。其结果是，建筑物本身产生破坏、断裂以及变形等，严重危害居住者的生命财产安全。因此，就高层建筑结构而言，如何避免共振，是一个务必要研究的问题。鉴于此，本文选择了模态分析法，对某高层建筑结构开展了固有频率数值计算，将计算结果与外界条件进行比较，从而能够有效地预判其建筑的振动状态，并优化设计方案，进一步提升建筑物的安全性。
1计算对象的确定
为获得高层建筑的固有频率，为后续与地震频率对比提供数据支撑，本文拟对某高层建筑进行振动频率计算，将江苏省淮安市某小区的高层住宅作为计算对象。该建筑于2018年投入施工，属于普通民用高层建筑类型，合计18层，建筑结构类型为框架式，建筑本体材料为钢筋混凝土。
2高层建筑模型构建
按照该高层建筑的初步设计方案，对设计图纸情况进行分析，构建三维模型的主要参数包括：建筑主体的长、宽、高、楼层高度以及各个墙(承重墙、非承重墙等)的厚度等。根据预设参数，拟在三维软件中建立该楼层的实体模型。通过对图纸进行分析可知，由于该建筑的形状、结构均比较规则。因此，在模型的构建中，对建筑的原结构进行简化，仅考虑主体的作用，同时不需要进行装配建模。除第一层外，其余楼层的层高均相同，住宅楼层简化平面如图1所示。故在三维软件中采用线性阵列操作，即可快速地完成三维实体模型的构建。该方法的优点在于，直接在零部件建模模块中生成结构整体，为后续的有限元分析提供完善的模型，且不需要再进行装配，减少了由于装配成整体而需要继续进行约束的环节，提升了设计效率。
3固有频率计算结果分析
当完成该高层建筑三维模型构建后，就可以将该模型保存为step格式[4]，导入仿真软件中进行模态分析，并获得各阶的固有频率。这一步骤中，实现方式是通过有限元分析软件的数值计算来完成。
3.1算法的确定
在固有频率的数值计算中，算法的选择合理与否通常对计算结果的精度存在重要影响。若算法选择不合理，可能导致计算结果和实际值相差较大，从而使仿真值失去参考意义。因此，在算法的确定中，必须根据实际情况选择与之匹配的算法。通过调研分析，本文在算法的选择中，采用目前建筑工程实践中，应用比较广泛的模态分析法[5]作为仿真的算法，其计算表达式[6]为：
3.2模态数值计算
3.2.1数值计算前处理将建筑模型导入有限元仿真软件中，并进行数值计算前处理操作，具体步骤如下。1)网格划分。由于建筑物形状规则，且几乎不存在非规则曲面，因此，网格类型选择为结构化网格[6]。2)对建筑物进行约束条件设置，具体情况为：将建筑物的底面，设置为固定约束。3)材料定义。考虑到实际中，建筑主体结构的材料为钢筋混凝土，其余材料的比例较小，故在材料的定义中，拟采取整体定义的方式，即全部模型材料均设置为钢筋混凝土。3.2.2模态结果分析通过对模型进行仿真，获得了该高层建筑1～5阶模态，如表1所示。从表1所示的各阶模态来看，在低阶条件下(1～2阶)，该建筑的振型以摆动为主，而随着阶数的增加，振型逐渐转变为弯曲，即建筑的振动情况开始复杂化。而扭转的从表2所示结果可知，在有应力作用的前提下，该建筑的各阶固有频率值均大于无应力的条件下的对应阶数固有频率值。造成该结果的原因是，当应力作用在建筑物上时，会导致建筑物的刚性有所提升，因此，建筑物的固有频率增大。然而，通过与无应力条件下的各阶频率对比可知，有应力条件下的频率增加幅度极小，二者的偏差微乎其微，几乎可以忽略不计。因此，可以知道，决定高层建筑固有频率值的关键，是形状、结构和材料。因此，外在应力对该性能的影响有限，可以忽略。3.2.3固有频率的计算对于固有频率而言，为分析载荷对于建筑物的固有频率造成的影响。故在数值计算过程中，本文设置了两种仿真条件：①假设有载荷对建筑物的正面进行作用，在前处理操作中，对建筑物的正面设置最大静强度约束;②不对建筑物施加任何外力的作用。分别对这两种情况进行固有频率计算，计算结果如表2所示。从表2所示结果可知，在有应力作用的前提下，该建筑的各阶固有频率值均大于无应力的条件下的对应阶数固有频率值。造成该结果的原因是，当应力作用在建筑物上时，会导致建筑物的刚性有所提升，因此，建筑物的固有频率增大。然而，通过与无应力条件下的各阶频率对比可知，有应力条件下的频率增加幅度极小，二者的偏差微乎其微，几乎可以忽略不计。因此，可以知道，决定高层建筑固有频率值的关键，是形状、结构和材料。因此，外在应力对该性能的影响有限，可以忽略。
4结语
选择江苏省淮安市某小区某高层建筑为案例，按照初步设计的尺寸、形状以及材料等参数，在三维建模软件中构建了模型。选择模态分析法作为计算方法，计算出了在应力作用、无应力作用两种条件下的建筑5阶固有频率。在后续的工作中，可以将该计算结果与地震状态下的频率比较，以判断容易诱发共振的阶数，并采取措施优化设计。
作者：秦泗建 单位：江苏省连云港市赣榆区柘汪镇建管所 江苏凯港集团有限公司
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