哈利法塔结构设计及健康监测
哈利法塔结构设计及健康监测
2014-03-07
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建筑结构
1 工程概况哈利法塔是目前世界上最高的建筑（图1），其高度为828m，是一座集酒店、公寓、写字楼等为一体的综合性建筑。有效租售楼层16
2 层，建筑面积526700m2，塔楼建筑面积344000m2，总造价为15亿美元。工期自2004年9月至2010年1月。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（图2），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，确认五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。塔楼酒店平面及整体立面图见图3，4。2010年1月4日，哈利法塔举行了开幕式，正式宣布建成。
2 建筑幕墙2.1 幕墙系统概况哈利法塔的建筑幕墙（图5）总面积为13.5万m2，其中塔楼部分为12万m2。在塔楼幕墙中，玻璃10.5万m2，不锈钢板1.5万m2，相当于
17个足球场面积。采用单元式幕墙，共有23566个单元板块。幕墙安装从2007年5月开始，到2009年9月完工，历时30个月。开始一天只能安装20~30个单元，最后最高每天可达175个单元。幕墙总造价约为人民币8亿元，约为6000元/m2。
2.2入口处索网双层幕墙系统三个入口处设入口大厅，周边均由索网双层幕墙封闭，分别用于酒店、公寓、写字楼。为做到透光不透热，做双层通风幕墙，内外幕墙均用索网。两道幕墙均为圆柱形，竖向为直线，水平是圆弧（图6）。
2.3 幕墙金属支承结构的防雷为了保证强大的雷电电流能顺畅导入地下，首先支承结构的各构件都必须电气连通，形成建筑表面的防雷网。这一防雷系统必须与主体结构的防雷系统可靠连接，通过主体结构的防雷导线将雷电引入地下。由金属梁柱构成的防雷网，就像“金钟罩”一样保护了建筑本身。至今所有遭受雷击的超高层建筑，幕墙都未受到损坏。哈里法塔在2010年遭受雷击的照片见图7。
3 结构体系和结构布置3.1 结构体系哈利法塔采用下部混凝土结构、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。3.2 结构布置采用三叉形平面可以取得较大的侧向刚度，整个抗侧力体系（图8，9）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，共六道；横向分户墙作为纵墙的加劲肋；此外，每翼的端部还有四根独立的端柱。3.3 竖向布置竖向形状按建筑设计逐步退台，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。在竖向布置了七个设备层兼避难层，利用其中的五个设备层做成结构加强层（图10）。
4 结构设计混凝土结构设计按美国规范ACI 318-02 进行。混凝土强度等级：127层以下C80；127层以上C60。端柱厚度取与内墙相同，即600mm。标准层层高为3.2m，采用无梁楼板，板厚为300mm（图11）。
塔楼601m以上是带交叉斜撑的钢框架。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，见图12，13。
采用摩擦桩加筏板联合基础（图14）。194根现场灌注桩，长度约43m，直径1500mm。桩尖深度-70m（图15）。筏板厚度3.75m。对筏板连同桩、周边土体进行了三维有限元分析，分析表明，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。5 结构健康监测系统对哈利法塔进行结构健康监测的目的是确定
施工期间和使用周期内塔楼的结构性能，监测的内容如下：1）桩基础荷载在土中的传递；2）筏板基础的沉降；3）核心筒内巨柱和外柱的压缩变形；4）施工期间分层加载重力
荷载引起的巨柱和核心筒的总应变；5）施工期间和施工完
成后塔楼的侧向位移；6）同一位置施工期间塔楼位移和动
力特性；7）塔楼使用期间沿高度方向7个位置处的位移、
加速度和动力特性；8）沿高度方向风速、风场分布、温度
差异和湿度的测量；9）监测塔尖的疲劳性能。5.1 测量监测系统在每层楼设置的测量系统由以下部分组成：1）自动
爬模系统（ACS），且在其顶部竖杆上安装三个GPS接收天线；2）每个GPS接受天线的下方安装可倾斜的圆形棱镜；3）混凝土顶部安装测量总站仪器(TPS)。从基础开始每隔
20层，将楼层的测量系统和8个测斜仪（莱卡NIVEL 200
双轴精确测斜仪）安装在一起，测斜仪安装在中心核心筒区域内。哈利法塔的测量监测系统（图16）会定期测量建筑的真实位移，所有定期测量都在清早进行，并关闭塔吊。（手
机横屏图片显示更清楚）建立三维有限元分析模型进行分析，见图17。结果表明：基础沉降测量远远比采用PLAXIS软件估算的值低；施工期间柱（墙）的实际总应变值和收缩量与分析值吻合得很好；施工期间侧向位移的测量值和分析值也比较吻合。
5.2 应变测量测量柱和核心筒单元的总应变需要安装以下
设备：1）接在钢筋上的197个电阻式应变计；2）埋在混凝土中的197个电子引伸计——振弦式应变计；3）筏板基础
共埋有24个型号为VSM 4200的振弦式应变计、3个接线盒、2个荷载光电管上的接线盒。由图18可看到测量全楼的所有应变计位置。施工期间的实测应变值和有限元分析值两者吻合得很好。
临时性实时监测系统（图19）包括：1）加速度仪；2）完整的GPS系统；3）测量138层气温、湿度和风速风向的气象站。2008年9月10日，塔楼受到Bandar Abbas 地震的影响。此次地震中，记录了安装监测系统后出现的最大加速度值。
图20是为哈利法塔量身定做的结构健康监测系统，包括：1）在基础顶面安装3对加速度仪用于收集基础加速度；2）在73, 123, 155层混凝土顶部，160M3层，墙肢23A和顶部尖塔顶端安装6对加速度仪，测量塔楼所有层的实时加速度值；3）160M3层安装GPS系统测量结构位移；4）在所有平台层、平面缩进层和828m高的塔尖顶端布置23个超声波风力传感计，测量风速和风向；5）160M3层气象站测量风速、风向、相对湿度和温度。有限元分析值和监测值的对比结果令人满意。
更多内容详见：《建筑结构》杂志2014年第5期文章《哈利法塔结构性能和响应的验证:足尺结构健康监测方案》，作者：Ahmad Abdelrazaq，单位：三星C&T公司高层及复杂建筑部。《建筑结构·技术通讯》2013年3期文章《迪拜哈利
