《迪拜哈利法塔的结构设计与施工》由会员分享，可在线阅读，更多相关《迪拜哈利法塔的结构设计与施工（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、迪拜哈利法塔的结构设计与施工工程档案一一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m2，塔
2、楼建筑面积34.4万m2。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。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；45108层是高级公寓, 共700套，78层是世界最高的游泳池；109162层为写字楼；124层为世界最高的观光层, 透过幕
3、墙的玻璃可以看到80km外的伊朗；158层是世界最高的清真寺；162206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-30601m为钢筋混凝土剪力墙体系，601828m为钢结构，其中60
4、1760m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）。Concrete perimeter columnsConcrete core wallsTwo-way flat slabConcrete nose图2抗侧力结构布置中心筒的抗扭作用可以模拟
5、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23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
6、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E=43800N/mm2。采用硅酸盐水泥，加粉煤灰。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
7、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
8、 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z=0.15，相当于我国8 度设防；温度：气温变化范围254C。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
9、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
10、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%/85%变为30%/70%。基础设计采用摩擦桩加筏板联合基础（见图5）。该工程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250350kPa。1
11、94根现场灌注 桩，长度约43m,直径1500mm，设计承载力为3000kN。现场进行压桩试验，最大压力为6000kN，桩尖深度-70m。迪拜地下水具有腐蚀性，氯离子浓度4.5%,硫0.6%，因此桩 采用C60混凝土，加25%粉煤灰，7%硅粉，水灰比0.32，坍落度675mm。图5桩筏联合基础筏板厚度3.75m，采用C50自密实混凝土，加40%粉煤灰，水灰比0.34，现场进行坍 落度和流动性试验。钢筋间距双向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。为减轻地下水的腐蚀作用，底板铺 设了一层钛丝编织的阴极保护网。筏板连同桩、周
12、边土体进行了三维有限元分析，分析结果为基础长期沉降为80mm, 施工到135层时沉降30mm，工程完工后，实测沉降为60mm。施工技术创新混凝土配合比。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。此外，混凝土还要有好的和易性，有适合于500m泵送高度的坍落度。由于 迪拜冬天冷夏天炎热，不同季节要调节混凝土的强度增长率及和易性损失值。混凝土超高泵送。哈利法塔创造了混凝土单级泵送606m的世界纪录。达到这个空前 的高度，最大困难是混凝土的配合比设计,采用了
13、4种不同的配比以便能用较小的压力把 混凝土送到不同的高度。泵送混凝土含13%粉煤灰、10%的硅粉，集料最大粒径20mm,自密 实，坍落度600mm。采用了3台世界上最大的混凝土泵，压力可达350bar，配套直径150mm 的高压输送管（见图6）。图6混凝土泵模板和混凝土浇筑。整个基础筏板混凝土接近45000m3按中心部分和三个翼板分成 4段浇筑，每段相隔24h。上部结构的墙体用自升式模板系统施工（见图7）,端柱则采用钢模施工，无梁楼板 用压型钢板作为模板。首先浇筑中心筒及其周边楼板，然后浇筑翼墙及相关楼板，最后 是端柱和附近楼板（见图8）。图7自升式模板系统图8墙体混凝土浇筑施工监测。哈利法塔高达828m,施工测量控制是突出问题，现有测量手段无法满足 要求，采用全球卫星定位系统GPS控制施工全过程的精度。迪拜哈利法塔以828m的超高度、52万m2的巨大建筑面积，给我们提供了丰富的设计 和施工经验。随着国内632m的上海中心、680m的深圳平安保险大厦等一批600m以上建 筑的即将竣工，我国的高层建筑技术将会提高到一个新的水平。文/中国建筑科学研究院 赵西安
