世界最高建筑“哈利法塔”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工..

1、世界最高建筑哈利法塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工摘要：迪拜哈利法塔高度達(dá)828m，是目前世界最高的建筑。這個(gè)高度已超越了純鋼結(jié) 構(gòu)高層建筑的使用范圍，但又不同于內(nèi)部混凝土外圍鋼結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)模式在體系上有所突破。 由于超高，設(shè)計(jì)上著重解決抗風(fēng)設(shè)計(jì)和豎向壓縮、徐變收縮等豎向變形問(wèn)題。施工上將C80 混凝土一次泵送到601m的高度，創(chuàng)造了一個(gè)新的奇跡。關(guān)鍵詞：超高層建筑；混合結(jié)構(gòu)體系；風(fēng)洞試驗(yàn)；時(shí)間過(guò)程分析；超高強(qiáng)度混凝土工程概況迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑，由美國(guó)SOM公司設(shè)計(jì)，工程總承 包單位為韓國(guó)三星，我國(guó)江蘇南通六建集團(tuán)公司承包土建施工，幕墻分別由香 港遠(yuǎn)東、上海力進(jìn)、陜西恒遠(yuǎn)三家公司承包。自2004

2、年9月至2010年1月?？?工期為1325d，用工2200萬(wàn)工時(shí)，總造價(jià)為15億美元。建筑總高度為828m ； 混凝土結(jié)構(gòu)高度為601 m ；基礎(chǔ)底面埋深為30 m ；樁尖深度為70 m ；全部 混凝土用量為330000m，總用鋼量為104000t（高強(qiáng)鋼筋為65000t，型鋼為 39000 t）?？偨ㄖ娣e為526700m ；塔樓建筑面積為344000m :塔樓建筑重量 為50萬(wàn)t ；可容納居住和工作人數(shù)為12000人；有效租售樓層為162層。哈利法 塔是一座綜合性建筑，37層以下是阿瑪尼高級(jí)酒店；45108層是高級(jí)公寓，共 700套，78層是世界最高樓層的游泳池：108 162層為寫字樓；

3、124層為世界 最高的觀光層，透過(guò)幕墻的玻璃可看到80km外的伊朗；158層是世界最高的清 真寺；62層 以上為傳播、電信、設(shè)備用樓層，一直到206層；頂部570 m是鋼 桅桿。為保持世界最高建筑的地位，鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置了直徑為1200mm的可活動(dòng) 的中心鋼桅桿，可由底部不斷加長(zhǎng)，用油壓設(shè)備不斷頂升，其預(yù)留高度為200m。 為此哈利法塔始終不宣布建筑高度。到2009年底，確認(rèn)5年內(nèi)世界各國(guó)都不可能 建成更高的建筑，才最后確定828m的最終高度。2010年1月4日，哈利法塔舉 行了開(kāi)幕式，正式宣布建成。建筑設(shè)計(jì)哈利法塔的建筑理念是沙漠之花Desert Flower”，平面是三瓣對(duì)稱盛 開(kāi)的花朵；立

4、面通過(guò)21個(gè)逐漸升高的退臺(tái)形成螺旋線，整個(gè)建筑物像含苞待放 的鮮花。這朵鮮花在沙漠耀眼的陽(yáng)光下，幕墻與藍(lán)天一色，發(fā)出熠熠光輝。三瓣盛開(kāi)的沙漠之花一哈利法塔的建筑幕墻總面積為13。5萬(wàn)m2，其中塔樓部分為12萬(wàn)m。幕墻總造價(jià)約為人民幣8億元。約為6000元/m2。哈利法塔很高，風(fēng)力作用下，上部樓層水平位移較大，將酒店和公寓安排在 下部樓層，辦公樓層放在上層，可獲得更好的舒適性。按現(xiàn)在的布局，公寓最高 層為108層，最大位移為450mm，辦公最高層為162層，最大位移為1250mm。風(fēng)洞試驗(yàn)為了給主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幕墻設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，進(jìn)行了40次以上的風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)在加拿大安大略RW DI邊界層

5、風(fēng)洞進(jìn)行。風(fēng)洞尺寸為2.4 m x1.9 m 和4.9 mx2.4m。分別進(jìn)行了剛性模型的力平衡試驗(yàn)和彈性模型的多自由度試 驗(yàn)。按50年一遇的風(fēng)力，做了風(fēng)壓分布、風(fēng)環(huán)境、風(fēng)氣候等方面的研究。模型 測(cè)點(diǎn)為1140個(gè)。風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)剛性和氣彈性整體模型為1/500，局部風(fēng)力研究的 模型為1 / 250及1 / 125。取用了6個(gè)主風(fēng)向：3個(gè)翼尖方向和3個(gè)凹入方向，試 驗(yàn)表明主控制方向是翼尖風(fēng)向。50年一遇風(fēng)力按55m/s考慮。最大風(fēng)力在退 臺(tái)附近。最大負(fù)風(fēng)壓為-5.5 kPa，最大正風(fēng)壓為+3.5 kPa。結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置4.1結(jié)構(gòu)體系全鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，適合于超高層建筑”，這是2O世紀(jì)六七十年

6、 代的普遍共識(shí)。這個(gè)時(shí)期大量建造7300m以上的鋼結(jié)構(gòu)高層建筑，如1971年 建成的紐約世界貿(mào)易中心雙塔（412m）、1974年建成的芝加哥西爾斯大廈 （442m）。到了20世紀(jì)八九十年代，人們發(fā)現(xiàn)純鋼結(jié)構(gòu)已不能滿足建筑高度進(jìn)一 步升高的要求，其原因在于鋼結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度提高難以跟上高度的迅速增長(zhǎng)。從 此以后，鋼筋混凝土核心筒加外圍鋼結(jié)構(gòu)就成超高層建筑的基本形式。我國(guó)如上 海金茂大廈（1997年，420m）、臺(tái)北101（1998年，48m）、香港國(guó)際金融（2010 年，420m）、廣州西塔（2010年，460m）、廣州電視塔（2009年，460m）s海 環(huán)球金融（2009年，492 m）、上海中

7、心（2014年，632m），深圳平安保險(xiǎn)（在建， 680m）等。均無(wú)一例外。哈利法塔作了前所未有的重大突破，采用了下部混凝土結(jié)構(gòu)、上部鋼結(jié)構(gòu) 的全新結(jié)構(gòu)體系。-30-601m為鋼筋混凝土剪力墻體系；601828m為鋼結(jié)構(gòu)， 其中601 760m采用帶斜撐的鋼框架。我們可以比較一下：紐約世貿(mào)中心純 鋼結(jié)構(gòu)，412m處的最大側(cè)移為1000mm ;而哈利法塔混凝土結(jié)構(gòu)，601m處 的最大側(cè)移僅為450mm。即使從哈利法塔本身來(lái)看。到混凝土結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)601m處，最大位移僅 450mm :到了鋼框架頂點(diǎn)760m 處，位移就迅速增大至1250mm ;到鋼桅桿 頂點(diǎn)828m處，位移就達(dá)到71450mm。所以

8、哈利法塔把酒店和公寓都布置在 601m以下的混凝土結(jié)構(gòu)部分；而將601m以上的鋼結(jié)構(gòu)部分作為辦公樓使用。 4.2結(jié)構(gòu)布置采用三叉形平面可取得較大的側(cè)向剛度，降低風(fēng)荷載，有利于超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)稱的平面可保持平面形狀簡(jiǎn)單。施工方便。整個(gè)抗側(cè)力體系是 一個(gè)豎向帶扶壁的核心筒。六邊形的核心筒居中：每一翼的縱向走廊墻形成核心 筒的扶壁，共6道；橫向分戶墻作為縱墻的加勁肋；此外，每翼的端部還有4根 獨(dú)立的端柱。這樣一來(lái)，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形成空間整體受力，具有良好的側(cè)向剛度和 抗扭剛中心筒的抗扭作用可模擬為一個(gè)封閉的空心軸，由3個(gè)翼上的6道縱墻扶 壁而大大加強(qiáng)：而走廊縱墻又被分戶橫墻加強(qiáng)。整個(gè)建筑就像一

9、根剛度極大的豎 向梁，抵抗風(fēng)和地震產(chǎn)生的剪力和彎矩。由于加強(qiáng)層的協(xié)調(diào)，使端部柱也參加抗 側(cè)力工作。43豎向布置豎向形狀按建筑設(shè)計(jì)逐步退臺(tái)，剪力墻在退臺(tái)樓層處切斷，端部柱向內(nèi)移。 分段步步切斷可使墻、柱的荷載平順地逐漸變化，同時(shí)也避免了墻、柱截面突 然變化給施工帶來(lái)的困難。全高21個(gè)退臺(tái)要形成優(yōu)美的塔身寬度變化曲線，且 要與風(fēng)力的變化相適應(yīng)。建筑設(shè)計(jì)在豎向布置了7個(gè)設(shè)備層兼避難層，每個(gè)設(shè)層 占二三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層。利用其中的5個(gè)設(shè)備層做成結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。加強(qiáng)層設(shè)置全高的外 伸剪力墻作為剛性大梁，使得端部柱的軸力形成大力矩抵抗側(cè)向力的傾覆力矩。 而且，剛性大梁調(diào)整了各墻、柱的豎向變形，使得它們的軸向應(yīng)力更均勻

10、，降低 了各構(gòu)件徐變的變形差。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析5.1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按美國(guó)規(guī)范ACI318-02進(jìn)行。混凝土強(qiáng)度等級(jí)：127層以 下為C80 ; 127層以上為C60。C 80混凝土90d彈性模量為43800N / mm2 , 采用硅酸鹽水泥，加粉煤灰。進(jìn)行了構(gòu)件截面尺寸的仔細(xì)調(diào)整以減少各構(gòu)件收縮和徐變變形差。原則上使端枉和男力墻在自重作用下的應(yīng)力相近。由于枉和薄的 剪力墻收縮較大，所以端柱的厚度與內(nèi)墻相同，取600mm。設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮構(gòu) 件的體積與表面積的比值接近，使各構(gòu)件的收縮速度接近，減少收縮變形差。在 立面內(nèi)收處，鋼筋混凝土連梁要傳遞豎向荷載（包括徐變和收縮的效應(yīng)），并聯(lián)

11、系 剪力墻肢以承受側(cè)向荷載。連梁按ACI318-02附錄A設(shè)計(jì)，計(jì)算圖形為交叉 斜桿。這個(gè)設(shè)計(jì)方法可使連梁高度降低。樓層數(shù)量多，壓低層高有很大的意義。 標(biāo)準(zhǔn)層層高為3 . 2m，采用無(wú)梁樓板，板厚為300mm。密s:“.-,.lt .I4,!b ，. llelxK廣 / K.J- M- 阿ti.*:，:.、.:-匕 *腔.:.治- 繇仲空思狎苫黑c;:.?.s.-:l; v二V:% f - f:1.MEX書 隆璧鬻豪.;:-掃:.漢正扣拓蘆廢籟蕨 3*質(zhì)當(dāng)為|1-?坨 .：，：， .”：， :；m，-“h ;寮哽片.，茶粉 勇一密尊-.書;?-%云-電;-克-:1“.* -,A - H - J

12、 r - -yr.ZL 3&. .注；11 .tHrlJ -G,.，rl-rm 11srw號(hào)舅緊.房，號(hào)？；:., 一.s- r r V J 7 ?崩X -旌挽加嚎黛E L 躊f炒 w&s.:?:% ku hrbwEH4 IV - -L 1- - t r r-: ?. -K-: .-.: :L -.-.:TAn i L - - hi Li WK % : *.心 :.令我活5.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)601 m以上是帶交叉斜撐的鋼框架，它承受重力、風(fēng)力和地震作用。鋼框 架逐步退臺(tái)，從第18級(jí)的核心筒六邊形到第29級(jí)的小三角形。最后只剩直徑為 1200mm的桅桿。這根桅桿是為保持世界第一建筑高度而專門設(shè)計(jì)的，

13、它可從 下面接長(zhǎng)，不斷頂升（類似塔吊的原理），預(yù)留7200m的上升高度。所有外露的鋼結(jié)構(gòu)都包鋁板作為裝飾。鋼結(jié)構(gòu)按美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)AISC（鋼 結(jié)構(gòu)建筑荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。5.3結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析采用ETABS8.4版，考慮了重力荷載（包括P-D二階效應(yīng)）、風(fēng)荷 載和地震效應(yīng)。建立三維分析模型，包括鋼筋混凝土墻、連梁、板、柱、頂部 鋼結(jié)構(gòu)、筏板和樁。分析模型共73500個(gè)殼元、75000個(gè)節(jié)點(diǎn)。分析參數(shù)如下。 （1）風(fēng)力：50年一遇,55 m/s風(fēng)壓按風(fēng)洞試驗(yàn)取值;（2）地震按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)UBC97 的2a區(qū)，地震系數(shù)為0.15，相當(dāng)于我國(guó)8度設(shè)防；（3）溫度：氣溫變化范圍為2 54C。分

14、析結(jié)果表明，在5O年一遇風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)水平位移：828m頂部處 為1450mm，辦公層頂部處為1250mm，公寓層頂部處為450mm。這個(gè)位移值 低于通用的標(biāo)準(zhǔn)，符合設(shè)計(jì)的要求。動(dòng)力分析得到各振型和周期：T1=11.3s（X 向），T2 = 10.2s（Y 向），T5=4.3s（扭轉(zhuǎn)）。內(nèi)力分析表明，鋼筋混凝土塔樓部分地震力不起控制作用：但裙房和頂部鋼 結(jié)構(gòu)處，地震內(nèi)力對(duì)設(shè)計(jì)有作用。長(zhǎng)期荷載分析和施工過(guò)程分析6.1超高建筑豎向荷載的時(shí)間和過(guò)程效應(yīng)通常采用線性有限元分析豎向荷載下的墻、柱內(nèi)力和位移。隨高度增加，這 種分析方法會(huì)偏離真實(shí)情況。因?yàn)殚L(zhǎng)期過(guò)程，即與時(shí)間相關(guān)的施工順序、徐變、 收縮都會(huì)

15、引起內(nèi)力重分布，而且豎向荷載還產(chǎn)生水平側(cè)移，這些采用常規(guī)分析是 不可能的。哈利法 塔設(shè)計(jì)中對(duì)這些因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析。分析采用了 GL2000(2004)模型，考慮了鋼筋的影響，也考慮了施工過(guò)程。62施工過(guò)程分析施工全過(guò)程分成15個(gè)階段，采用三維模型進(jìn)行分析，同時(shí)也考慮了收縮和 徐變。每個(gè)模型都代表施工過(guò)程的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，施加當(dāng)時(shí)所增加的新荷載。到施 工結(jié)束，分析還延續(xù)到50年后。6.3補(bǔ)償技術(shù)施工過(guò)程中兩個(gè)方向的平移應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果予以補(bǔ)償、校正；豎向壓縮則每 層的層高應(yīng)增加一個(gè)補(bǔ)償值。中心筒在施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生偏心，偏心調(diào)整應(yīng)每層 進(jìn)行，可以通過(guò)糾正重力荷載產(chǎn)生的側(cè)移（彈性位移、基礎(chǔ)底板沉降差、

16、徐變、 收縮）來(lái)補(bǔ)償。6.4豎向縮短結(jié)構(gòu)豎向壓縮每層平均為4mm，整座建筑的頂點(diǎn)為650mm。這個(gè)縮段通過(guò) 每層標(biāo)高的調(diào)整來(lái)補(bǔ)償。由于收縮和徐變，鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的內(nèi)力會(huì)在鋼筋 和混凝土之間重新分配。由于要求兩者應(yīng)變相同，混凝土分擔(dān)的內(nèi)力會(huì)逐漸減少， 而鋼筋的內(nèi)力會(huì)相應(yīng)增加。哈利法塔第135層的墻、柱中鋼筋與混凝土的內(nèi)力比 會(huì)從 15%, 85%變?yōu)?0%, 70%。地基和基礎(chǔ)采用摩擦樁加筏板聯(lián)合基礎(chǔ)。7.1地基地基為膠結(jié)的鈣質(zhì)土和含礫石的鈣質(zhì)土。天然地基土與混凝土樁的表面極限 摩擦力為250 350 kPa。72樁194根現(xiàn)場(chǎng)灌注樁.長(zhǎng)度約43m，直徑為1500mm。樁的設(shè)計(jì)承載力為 30

17、00t?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了壓樁試驗(yàn)，最大壓力為6000t,樁尖深度為70m。迪拜地下 水有腐蝕性，氯離子濃度為4.5%,硫?yàn)?.6%。因此樁采用C60混凝土，力025% 粉煤灰和7%硅粉；水灰比為0.32，坍落度為675mm。7.3筏板筏板厚度為3.75m，采用C50自密實(shí)混凝土（SCC），添加40%粉煤灰，水灰 比為0.34。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了坍落度和流動(dòng)性試驗(yàn)。鋼筋間距雙向?yàn)?00mm，但在 每一個(gè)方向每隔10根鋼筋取消1根鋼筋.形成600mm x600mm的無(wú)鋼筋洞口， 便于澆筑混凝土。為了研究澆灌工藝和控制溫升的措施，在現(xiàn)場(chǎng)制作了邊長(zhǎng)為 3.75m的實(shí)大立方體。為減弱地下水的腐蝕作用，底板鋪設(shè)了一層

18、鈦絲編織的 陰極保護(hù)網(wǎng)。筏板連同樁、周邊土體進(jìn)行了三維有限元分析。分析指出，基礎(chǔ)長(zhǎng) 期沉降為80mm，施工到135層時(shí)沉降為30mm.工程完工后，實(shí)測(cè)沉降為 60mm。施工8.1混凝土配合比豎向結(jié)構(gòu)混凝土要求10h強(qiáng)度達(dá)到10MPa以保證混凝土施工能正常循環(huán)。最終強(qiáng)度達(dá)到80 M Pa（127層以下）和60MPa（127層以上），C80混凝土的彈性 模量為44000MPa?；炷吝€要有好的和易性，有適合于600m泵送高度的坍落 度。迪拜冬天冷，夏天氣溫則在5O攝氏度以上，所以不同季節(jié)要調(diào)節(jié)混凝土的 強(qiáng)度增長(zhǎng)率及和易性損失值。8.2混凝土的超高哈利法塔創(chuàng)造了混凝土單級(jí)泵送高度的世界記錄一601m。達(dá)到這個(gè)空前高 度的最大困難是混凝土的配合比設(shè)計(jì)。采用了4種不同的配合比以便能用較小的 壓力把混凝土送到不同的高度。2005