世界最高建筑“哈利法塔”结构设计和施工..

世界最高建筑“哈利法塔”结构设计和施工摘要：迪拜哈利法塔高度达828m，是目前世界最高的建筑。这个高度已超越了纯钢结构高层建筑的使用范围，但又不同于内部混凝土外围钢结构的传统模式，在体系上有所突破。由于超高，设计上着重解决抗风设计和竖向压缩、徐变收缩等竖向变形问题。施工上将C80混凝土一次泵送到601m的高度，创造了一个新的奇迹。关键词：超高层建筑；混合结构体系；风洞试验；时间过程分析；超高强度混凝土①工程概况迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑，由美国SOM公司设计，工程总承包单位为韩国三星，我国江苏南通六建集团公司承包土建施工，幕墙分别由香港远东、上海力进、陕西恒远三家公司承包。自2004年9月至2010年1月。总工期为1325d，用工2200万工时，总造价为15亿美元。建筑总高度为828m；混凝土结构高度为601m；基础底面埋深为30m；桩尖深度为70m；全部混凝土用量为330000m，总用钢量为104000t(高强钢筋为65000t，型钢为39000t)。总建筑面积为526700m；塔楼建筑面积为344000m：塔楼建筑重量为50万t；可容纳居住和工作人数为12000人；有效租售楼层为162层。哈利法塔是一座综合性建筑，37层以下是阿玛尼高级酒店；45~108层是高级公寓，共700套，78层是世界最高楼层的游泳池：108～162层为写字楼；124层为世界最高的观光层，透过幕墙的玻璃可看到80km外的伊朗；158层是世界最高的清真寺；62层以上为传播、电信、设备用楼层，一直到206层；顶部570m是钢桅杆。为保持世界最高建筑的地位，钢结构顶部设置了直径为1200mm的可活动的中心钢桅杆，可由底部不断加长，用油压设备不断顶升，其预留高度为200m。为此哈利法塔始终不宣布建筑高度。到2009年底，确认5年内世界各国都不可能建成更高的建筑，才最后确定828m的最终高度。2010年1月4日，哈利法塔举行了开幕式，正式宣布建成。②建筑设计哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花——DesertFlower”，平面是三瓣对称盛开的花朵；立面通过21个逐渐升高的退台形成螺旋线，整个建筑物像含苞待放的鲜花。这朵鲜花在沙漠耀眼的阳光下，幕墙与蓝天一色，发出熠熠光辉。三瓣盛开的沙漠之花—哈利法塔的建筑幕墙总面积为13。5万m2，其中塔楼部分为12万m。幕墙总造价约为人民币8亿元。约为6000元/m2。哈利法塔很高，风力作用下，上部楼层水平位移较大，将酒店和公寓安排在下部楼层，办公楼层放在上层，可获得更好的舒适性。按现在的布局，公寓最高层为108层，最大位移为450mm，办公最高层为162层，最大位移为1250mm。③风洞试验为了给主体结构设计和幕墙设计提供技术依据，进行了40次以上的风洞试验。风洞试验在加拿大安大略RWDI边界层风洞进行。风洞尺寸为2.4mx1.9m和4.9mx2.4m。分别进行了刚性模型的力平衡试验和弹性模型的多自由度试验。按50年一遇的风力，做了风压分布、风环境、风气候等方面的研究。模型测点为1140个。风环境试验刚性和气弹性整体模型为1／500，局部风力研究的模型为1／250及1／125。取用了6个主风向：3个翼尖方向和3个凹入方向，试验表明主控制方向是翼尖风向。50年一遇风力按55m／s考虑。最大风力在退台附近。最大负风压为-5.5kPa，最大正风压为+3.5kPa。④结构体系和结构布置4.1结构体系全钢结构优于混凝土结构，适合于超高层建筑”，这是2O世纪六七十年代的普遍共识。这个时期大量建造了300m以上的钢结构高层建筑，如1971年建成的纽约世界贸易中心双塔(412m)、1974年建成的芝加哥西尔斯大厦(442m)。到了20世纪八九十年代，人们发现纯钢结构已不能满足建筑高度进一步升高的要求，其原因在于钢结构的侧向刚度提高难以跟上高度的迅速增长。从此以后，钢筋混凝土核心筒加外围钢结构就成超高层建筑的基本形式。我国如上海金茂大厦(1997年，420m)、台北101(1998年，48m)、香港国际金融(2010年，420m)、广州西塔(2010年，460m)、广州电视塔(2009年，460m)、上海环球金融(2009年，492m)、上海中心(2014年，632m)，深圳平安保险(在建，680m)等。均无一例外。哈利法塔作了前所未有的重大突破，采用了下部混凝土结构、上部钢结构的全新结构体系。-30-601m为钢筋混凝土剪力墙体系；601～828m为钢结构，其中601～760m采用带斜撑的钢框架。我们可以比较一下：纽约世贸中心纯钢结构，412m处的最大侧移为1000mm；而哈利法塔混凝土结构，601m处的最大侧移仅为450mm。即使从哈利法塔本身来看。到混凝土结构的顶点601m处，最大位移仅450mm：到了钢框架顶点760m处，位移就迅速增大至1250mm；到钢桅杆顶点828m处，位移就达到了1450mm。所以哈利法塔把酒店和公寓都布置在601m以下的混凝土结构部分；而将601m以上的钢结构部分作为办公楼使用。4.2结构布置采用三叉形平面可取得较大的侧向刚度，降低风荷载，有利于超高层建筑抗风设计。同时对称的平面可保持平面形状简单。施工方便。整个抗侧力体系是一个竖向带扶壁的核心筒。六边形的核心筒居中：每一翼的纵向走廊墙形成核心筒的扶壁，共6道；横向分户墙作为纵墙的加劲肋；此外，每翼的端部还有4根独立的端柱。这样一来，抗侧力结构形成空间整体受力，具有良好的侧向刚度和抗扭刚中心筒的抗扭作用可模拟为一个封闭的空心轴，由3个翼上的6道纵墙扶壁而大大加强：而走廊纵墙又被分户横墙加强。整个建筑就像一根刚度极大的竖向梁，抵抗风和地震产生的剪力和弯矩。由于加强层的协调，使端部柱也参加抗侧力工作。4.3竖向布置竖向形状按建筑设计逐步退台，剪力墙在退台楼层处切断，端部柱向内移。分段步步切断可使墙、柱的荷载平顺地逐渐变化，同时也避免了墙、柱截面突然变化给施工带来的困难。全高21个退台要形成优美的塔身宽度变化曲线，且要与风力的变化相适应。建筑设计在竖向布置了7个设备层兼避难层，每个设层占二三个标准层。利用其中的5个设备层做成结构加强层。加强层设置全高的外伸剪力墙作为刚性大梁，使得端部柱的轴力形成大力矩抵抗侧向力的倾覆力矩。而且，刚性大梁调整了各墙、柱的竖向变形，使得它们的轴向应力更均匀，降低了各构件徐变的变形差。⑤结构设计和结构分析5.1混凝土结构设计混凝土结构设计按美国规范ACI318—02进行。混凝土强度等级：127层以下为C80；127层以上为C60。C80混凝土90d弹性模量为43800N／mm2，采用硅酸盐水泥，加粉煤灰。进行了构件截面尺寸的仔细调整以减少各构件收缩和徐变变形差。原则上使端柱和剪力墙在自重作用下的应力相近。由于柱和薄的剪力墙收缩较大，所以端柱的厚度与内墙相同，取600mm。设计时尽量考虑构件的体积与表面积的比值接近，使各构件的收缩速度接近，减少收缩变形差。在立面内收处，钢筋混凝土连梁要传递竖向荷载(包括徐变和收缩的效应)，并联系剪力墙肢以承受侧向荷载。连梁按ACI318—02附录A设计，计算图形为交叉斜杆。这个设计方法可使连梁高度降低。楼层数量多，压低层高有很大的意义。标准层层高为3．2m，采用无梁楼板，板厚为300mm。5.2钢结构设计601m以上是带交叉斜撑的钢框架，它承受重力、风力和地震作用。钢框架逐步退台，从第l8级的核心筒六边形到第29级的小三角形。最后只剩直径为1200mm的桅杆。这根桅杆是为保持世界第一建筑高度而专门设计的，它可从下面接长，不断顶升（类似塔吊的原理），预留了200m的上升高度。所有外露的钢结构都包铝板作为装饰。钢结构按美国钢结构协会AISC(钢结构建筑荷载和抗力系数设计规范》进行设计。5.3结构分析结构分析采用ETABS8．4版，考虑了重力荷载(包括P-D二阶效应)、风荷载和地震效应。建立三维分析模型，包括钢筋混凝土墙、连梁、板、柱、顶部钢结构、筏板和桩。分析模型共73500个壳元、75000个节点。分析参数如下。(1)风力：50年一遇，55m／s，风压按风洞试验取值；(2)地震：按美国标准UBC97的2a区，地震系数为0.15，相当于我国8度设防；(3)温度：气温变化范围为2～54℃。分析结果表明，在5O年一遇风力作用下，结构水平位移：828m顶部处为1450mm，办公层顶部处为1250mm，公寓层顶部处为450mm。这个位移值低于通用的标准，符合设计的要求。动力分析得到各振型和周期：T1=11.3s(X向)，T2=10.2s(Y向)，T5=4.3s(扭转)。内力分析表明，钢筋混凝土塔楼部分地震力不起控制作用：但裙房和顶部钢结构处，地震内力对设计有作用。⑥长期荷载分析和施工过程分析6.1超高建筑竖向荷载的时间和过程效应通常采用线性有限元分析竖向荷载下的墙、柱内力和位移。随高度增加，这种分析方法会偏离真实情况。因为长期过程，即与时间相关的施工顺序、徐变、收缩都会引起内力重分布，而且竖向荷载还产生水平侧移，这些采用常规分析是不可能的。哈利法塔设计中对这些因素进行了详细的分析。分析采用了GL2000(2004)模型，考虑了钢筋的影响，也考虑了施工过程。6.2施工过程分析施工全过程分成15个阶段，采用三维模型进行分析，同时也考虑了收缩和徐变。每个模型都代表施工过程的一个时间点，施加当时所增加的新荷载。到施工结束，分析还延续到50年后。6.3补偿技术施工过程中两个方向的平移应根据计算结果予以补偿、校正；竖向压缩则每层的层高应增加一个补偿值。中心筒在施工过程中会产生偏心，偏心调整应每层进行，可以通过纠正重力荷载产生的侧移(弹性位移、基础底板沉降差、徐变、收缩)来补偿。6.4竖向缩短结构竖向压缩每层平均为4mm，整座建筑的顶点为650mm。这个缩段通过每层标高的调整来补偿。由于收缩和徐变，钢筋混凝土竖向构件的内力会在钢筋和混凝土之间重新分配。由于要求两者应变相同，混凝土分担的内力会逐渐减少，而钢筋的内力会相应增加。哈利法塔第135层的墙、柱中钢筋与混凝土的内力比会从15％，85％变为30％，70％。⑦地基和基础采用摩擦桩加筏板联合基础。7.1地基地基为胶结的钙质土和含砾石的钙质土。天然地基土与混凝土桩的表面极限摩擦力为250～350kPa。7.2桩194根现场灌注桩．长度约43m，直径为1500mm。桩的设计承载力为3000t。现场进行了压桩试验，最大压力为6000t，桩尖深度为70m。迪拜地下水有腐蚀性，氯离子浓度为4.5％，硫为0.6％。因此桩采用C60混凝土，加25％粉煤灰和7％硅粉；水灰比为0.32，坍落度为675mm。7.3筏板筏板厚度为3.75m，采用C50自密实混凝土(SCC)，添加40％粉煤灰，水灰比为0.34。在现场进行了坍落度和流动性试验。钢筋间距双向为300mm，但在每一个方向每隔10根钢筋取消1根钢筋．形成600mmx600mm的无钢筋洞口，便于浇筑混凝土。为了研究浇灌工艺和控制温升的措施，在现场制作了边长为3.75m的实大立方体。为减弱地下水的腐蚀作用，底板铺设了一层钛丝编织的阴极保护网。筏板连同桩、周边土体进行了三维有限元分析。分析指出，基础长期沉降为80mm，施工到135层时沉降为30mm.工程完工后，实测沉降为60mm。⑧施工8.1混凝土配合比竖向结构混凝土要求10h强度达到10MPa以保证混凝土施工能正常循环。最终强度达到80MPa(127层以下)和60MPa(127层以上)，C80混凝土的弹性模量为44000MPa。混凝土还要有好的和易性，有适合于600m泵送高度的坍落度。迪拜冬天冷，夏天气温则在5O摄氏度以上，所以不同季节要调节混凝土的强度增长率及和易性损失值。8.2混凝土的超高度泵送哈利法塔创造了混凝土单级泵送高度的世界记录—601m。达到这个空前高度的最大困难是混凝土的配合比设计。采用了4种不同的配合比以便能用较小的压力把混凝土送到不同的高度。2005年4月进行了一次水平泵送试验，泵送压力与送到600m高度的压力相同。试验确认了泵送600m高度的可行性，并实