迪拜哈利法塔的结构设计与施工

迪拜哈利法塔的结构设计与施工迪拜哈利法塔的结构设计与施工 工程档案迪拜哈利法塔工程档案迪拜哈利法塔 迪拜哈利法塔，总高828m，混凝土用量33万 m3,总用钢量10.4万 t,玻璃面积14.2万 m2。2004年9月21日开始动工，2010年1月4日竣工启用。 创新技术设计和施工的突破创新技术设计和施工的突破 迪拜哈利法塔828m 的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606m 的高度， 创造了一个新的奇迹。 迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑，总高度828 m，凝土结构高度601m，总建 筑面积52.67万 m ，塔楼建筑面积34.4万 m 。基础底面埋深 -30m，桩尖深度-70m；混 凝土用量 33万 m3，总用钢量10.4万 t 高强钢筋6.5万 t，型钢3.9万 t） 。工程总造价 15亿美元。 22 哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花Desert Flower”，平面是三瓣对称盛开的 花朵（见图1） ，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。 图1三瓣盛开的沙漠之花 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层是世界最高的游泳池； 109～162层为写字楼； 124层为世界最高的观光层， 透过幕墙的玻璃可以看到80km 外的伊朗；158层是世界最高的清真寺；162～206层为传 播、电信、设备用楼层；顶部70m 是钢桅杆。 结构设计创新 结构体系。全钢结构优于混凝土结构，适合于超高层建筑，这是上世纪六七十年代 的普遍共识，并建造了大量300m 以上的钢结构高层建筑。 到八九十年代，纯钢结构已经 不能满足建筑高度进一步升高的要求， 其原因在于钢结构侧向刚度的提升难以跟上高度 的迅速增长，此后钢筋混凝土核心筒加外围钢结构就成为超高层建筑的基本形式。 而哈 利法塔做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。 即-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。 采用三叉形平面可以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，同时对称的平面可以保持平面形状简单，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 和抗扭刚度（见图2） 。 图2抗侧力结构布置 中心筒的抗扭作用可以模拟为一个封闭的空心轴。这个轴由三个翼上的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（见图3） 。由于加强层的协调，端部柱子也参加抗侧力 工作。 图3整座建筑如同一根竖向梁 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 步切断可以使墙、柱的荷载平顺逐渐变化，同时也避免了墙、柱截面突然变化给施工带 来的困难。退台要形成优美的塔身宽度变化曲线，而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，每个设备层占2～3个标准层。利用其 中的5个设备层做成结构加强层（见图4） 。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，同时刚性大梁调整了各墙、 柱的 竖向变形，使得其轴向应力更均匀，降低了各构件徐变变形差。 图4结构的5个加强层 混凝土结构设计。按美国规范 ACI 318-02 进行。127层以下混凝土强度等级 C80， 127层以上 C60。C80混凝土90d 弹性模量 E43800N/mm 。采用硅酸盐水泥，加粉煤灰。2 调整构件截面尺寸，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。 由于柱子和薄剪力墙的收缩较大， 所以端柱的厚度取与内墙相同， 即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ACI 318-02附录 A 设计，计算图形为交叉斜杆，这 种设计方法可使连梁高度降低。 楼层数量多，压低层高意义大，标准层层高3.2m，采用无梁楼板，板厚300mm。 钢结构设计。按美国钢结构协会AISC建筑钢结构荷载抗力分项系数设计规范进 行设计。601m 以上是带交叉斜撑的钢框架，以承受重力、 风力和地震作用。钢框架逐步 退台，从第18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。 这根桅杆是为了保持建筑高度世界第一专门设计的，可以从下面接长，不断顶升，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。 结构分析。采用 ETABS 8.4版，考虑了重力荷载（包括 P-D 二阶效应） 、风、地震 因素。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。分析参数为风力50年一遇，55m/s，风压 按风洞试验取值；地震按美国标准UBC 97 的2a 区，地震系数 z0.15，相当于我国8 度设防；温度气温变化范围 2～54℃。分析结果表明， 50年一遇的风力，828m 的顶部 结构水平位移为1450 mm， 办公层顶部 （162层） 为1250mm， 公寓层顶部 （108层） 为450mm， 位移值低于通用标准，符合设计要求。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。 通常采用线性有限元分析竖向荷载下的墙、柱内力和位移，但因哈利法塔高度的原 因，这种分析方法会偏离真实情况，最后采用了GL 2000（2004）模型，既考虑了钢筋 的影响，也包括施工过程。 施工过程分析。全过程分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。分析还延续 到施工结束后50年。 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。 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，通过每层标 高的调整来补偿。 受收缩和徐变的影响，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，钢筋的内力会相应增加。 哈利法塔第135层，墙、柱中钢筋与混凝土的内力比会从15/8