哈利法塔超高鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展

哈利法塔超高鋼結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展

1基礎(chǔ)、建筑高度酋長哈立法塔是世界上最大的建筑，由美國索姆設(shè)計。該項目的總承包商為韓國三星。由中國江蘇南通六建集團通過標準配置進行建設(shè)，墻體由香港遠東、上海龍進和陜西恒遠三大公司制成。自2004年9月至2010年1月,總工期為1325d,用工2200萬工時,總造價為15億美元。建筑總高度為828m;混凝土結(jié)構(gòu)高度為601m;基礎(chǔ)底面埋深為30m;樁尖深度為70m;全部混凝土用量為330000m3;總用鋼量為104000t(高強鋼筋為65000t,型鋼為39000t)?？偨ㄖ娣e為526700m2;塔樓建筑面積為344000m2;塔樓建筑重量為50萬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酒店;45~108層是高級公寓,共700套,78層是世界最高樓層的游泳池;108~162層為寫字樓;124層為世界最高的觀光層,透過幕墻的玻璃可看到80km外的伊朗;158層是世界最高的清真寺;162層以上為傳播、電信、設(shè)備用樓層,一直到206層;頂部70m是鋼桅桿(圖1)。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的可活動的中心鋼桅桿,可由底部不斷加長,用油壓設(shè)備不斷頂升,其預留高度為200m(圖2)。為此哈利法塔始終不宣布建筑高度。到2009年底,確認5年內(nèi)世界各國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,哈利法塔舉行了開幕式,正式宣布建成(圖3)。2建筑幕墻與哈利法塔哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花——DesertFlower”,平面是三瓣對稱盛開的花朵(圖4);立面通過21個逐漸升高的退臺形成螺旋線,整個建筑物像含苞待放的鮮花。這朵鮮花在沙漠耀眼的陽光下,幕墻與藍天一色,發(fā)出熠熠光輝。哈利法塔的建筑幕墻總面積為13.5萬m2,其中塔樓部分為12萬m2。幕墻總造價約為人民幣8億元,約為6000元/m2。哈利法塔很高,風力作用下,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。3剛性和彈性模型試驗為了給主體結(jié)構(gòu)設(shè)計和幕墻設(shè)計提供技術(shù)依據(jù),進行了40次以上的風洞試驗。風洞試驗在加拿大安大略RWDI邊界層風洞進行。風洞尺寸為2.4m×1.9m和4.9m×2.4m。分別進行了剛性模型的力平衡試驗和彈性模型的多自由度試驗。按50年一遇的風力,做了風壓分布、風環(huán)境(圖5)、風氣候等方面的研究。模型測點為1140個。剛性和氣彈性整體模型為1/500,局部風力研究的模型為1/250及1/125。取用了6個主風向:3個翼尖方向和3個凹入方向,試驗表明主控制方向是翼尖風向。50年一遇風力按55m/s考慮,最大風力在退臺附近。最大負風壓為-5.5kPa,最大正風壓為+3.5kPa。4結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)配置4.1我國鋼筋混凝土核心筒加外圍鋼結(jié)構(gòu)的應用情況“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20世紀六七十年代的普遍共識。這個時期大量建造了300m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。從此以后,鋼筋混凝土核心筒加外圍鋼結(jié)構(gòu)就成為超高層建筑的基本形式。我國如上海金茂大廈(1997年,420m)、臺北101(1998年,448m)、香港國際金融(2010年,420m)、廣州西塔(2010年,460m)、廣州電視塔(2009年,460m)、上海環(huán)球金融(2009年,492m)、上海中心(2014年,632m),深圳平安保險(在建,680m)等,均無一例外。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;601~828m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看,到混凝土結(jié)構(gòu)的頂點601m處,最大位移僅450mm;到了鋼框架頂點760m處,位移就迅速增大至1250mm;到鋼桅桿頂點828m處,位移就達到了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核心筒和抗側(cè)力結(jié)構(gòu)采用三叉形平面可取得較大的側(cè)向剛度,降低風荷載,有利于超高層建筑抗風設(shè)計。同時對稱的平面可保持平面形狀簡單,施工方便。整個抗側(cè)力體系是一個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根獨立的端柱。這樣一來,抗側(cè)力結(jié)構(gòu)形成空間整體受力,具有良好的側(cè)向剛度和抗扭剛度(圖6)。中心筒的抗扭作用可模擬為一個封閉的空心軸,由3個翼上的6道縱墻扶壁而大大加強;而走廊縱墻又被分戶橫墻加強。整個建筑就像一根剛度極大的豎向梁,抵抗風和地震產(chǎn)生的剪力和彎矩。由于加強層的協(xié)調(diào),使端部柱也參加抗側(cè)力工作。4.3外伸剪力墻與水平受力的匹配豎向形狀按建筑設(shè)計逐步退臺,剪力墻在退臺樓層處切斷,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,同時也避免了墻、柱截面突然變化給施工帶來的困難。全高21個退臺要形成優(yōu)美的塔身寬度變化曲線,且要與風力的變化相適應。建筑設(shè)計在豎向布置了7個設(shè)備層兼避難層,每個設(shè)備層占二三個標準層。利用其中的5個設(shè)備層做成結(jié)構(gòu)加強層(圖7)。加強層設(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,使得它們的軸向應力更均勻,降低了各構(gòu)件徐變的變形差。5結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析5.1截面尺寸調(diào)整混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計按美國規(guī)范ACI318-02進行?；炷翉姸鹊燃?127層以下為C80;127層以上為C60。C80混凝土90d彈性模量為43800N/mm2,采用硅酸鹽水泥,加粉煤灰。進行了構(gòu)件截面尺寸的仔細調(diào)整以減少各構(gòu)件收縮和徐變變形差。原則上使端柱和剪力墻在自重作用下的應力相近。由于柱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)計時盡量考慮構(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),并聯(lián)系剪力墻肢以承受側(cè)向荷載。連梁按ACI318-02附錄A設(shè)計,計算圖形為交叉斜桿。這個設(shè)計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。標準層層高為3.2m,采用無梁樓板,板厚為300mm(圖8)。5.2心筒抗升設(shè)計601m以上是帶交叉斜撐的鋼框架,它承受重力、風力和地震作用。鋼框架逐步退臺,從第18級的核心筒六邊形到第29級的小三角形,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)計的,它可從下面接長,不斷頂升,預留了200m的上升高度(圖9)。所有外露的鋼結(jié)構(gòu)都包鋁板作為裝飾。鋼結(jié)構(gòu)按美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC《鋼結(jié)構(gòu)建筑荷載和抗力系數(shù)設(shè)計規(guī)范》進行設(shè)計。5.3分析參數(shù)及參數(shù)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)、風荷載和地震效應。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個殼元、75000個節(jié)點。分析參數(shù)如下。(1)風力:50年一遇,55m/s,風壓按風洞試驗取值;(2)地震:按美國標準UBC97的2a區(qū),地震系數(shù)為0.15,相當于我國8度設(shè)防;(3)溫度:氣溫變化范圍為2~54℃。分析結(jié)果表明,在50年一遇風力作用下,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。這個位移值低于通用的標準,符合設(shè)計的要求。動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)力對設(shè)計有作用。6長期負荷分析和施工過程分析6.1影響內(nèi)力重分布的因素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,這種分析方法會偏離真實情況。因為長期過程,即與時間相關(guān)的施工順序、徐變、收縮都會引起內(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)計中對這些因素進行了詳細的分析。分析采用了GL2000(2004)模型,考慮了鋼筋的影響,也考慮了施工過程。6.2考慮施工過程的影響施工全過程分成15個階段,采用三維模型進行分析,同時也考慮了收縮和徐變。每個模型都代表施工過程的一個時間點,施加當時所增加的新荷載。到施工結(jié)束,分析還延續(xù)到50年后。6.3豎向壓縮補償施工過程中兩個方向的平移應根據(jù)計算結(jié)果予以補償、校正;豎向壓縮則每層的層高應增加一個補償值。中心筒在施工過程中會產(chǎn)生偏心,偏心調(diào)整應每層進行,可以通過糾正重力荷載產(chǎn)生的側(cè)移(彈性位移、基礎(chǔ)底板沉降差、徐變、收縮)來補償。6.4豎向構(gòu)件節(jié)點的分配結(jié)構(gòu)豎向壓縮每層平均為4mm,整座建筑的頂點為650mm。這個縮短通過每層標高的調(diào)整來補償。由于收縮和徐變,鋼筋混凝土豎向構(gòu)件的內(nèi)力會在鋼筋和混凝土之間重新分配。由于要求兩者應變相同,混凝土分擔的內(nèi)力會逐漸減少,而鋼筋的內(nèi)力會相應增加。哈利法塔第135層的墻、柱中鋼筋與混凝土的內(nèi)力比會從15%,85%變?yōu)?0%,70%。7基礎(chǔ)和基礎(chǔ)采用摩擦樁加筏板聯(lián)合基礎(chǔ)(圖10)。7.1基礎(chǔ)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250~350kPa。7.2試驗系統(tǒng)和地下水194根現(xiàn)場灌注樁,長度約43m,直徑為1500mm。樁的設(shè)計承載力為3000t。現(xiàn)場進行了壓樁試驗,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%,硫為0.6%。因此樁采用C60混凝土,加25%粉煤灰和7%硅粉;水灰比為0.32,坍落度為675mm。7.3混凝土澆筑法施工筏板厚度為3.75m,采用C50自密實混凝土(SCC),加40%粉煤灰,水灰比為0.34。在現(xiàn)場進行了坍落度和流動性試驗。鋼筋間距雙向為300mm,但在每一個方向每隔10根鋼筋取消1根鋼筋,形成600mm×600mm的無鋼筋洞口,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)場制作了邊長為3.75m的實大立方體。為減弱地下水的腐蝕作用,底板鋪設(shè)了一層鈦絲編織的陰極保護網(wǎng)。筏板連同樁、周邊土體進行了三維有限元分析。分析指出,基礎(chǔ)長期沉降為80mm,施工到135層時沉降為30mm。工程完工后,實測沉降為60mm。8施工中心8.1混凝土彈性模量豎向結(jié)構(gòu)混凝土要求10h強度達到10MPa以保證混凝土施工能正常循環(huán)。最終強度達到80MPa(127層以下)和60MPa(127層以上),C80混凝土的彈性模量為44000MPa。混凝土還要有好的和易性,有適合于600m泵送高度的坍落度。迪拜冬天冷,夏天氣溫則在50℃以上,所以不同季節(jié)要調(diào)節(jié)混凝土的強度增長率及和易性損失值。8.2混凝土泵送試驗哈利法塔創(chuàng)造了混凝土單級泵送高度的世界記錄-601m。達到這個空前高度的最大困難是混凝土的配合比設(shè)計。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年4月進行了一次水平泵送試驗,泵送壓力與送到600m高度的壓力相同。試驗確認了泵送600m高度的可行性,并實測了摩擦系數(shù),泵送壓力為20MPa。所用的泵送混凝土含13%粉煤灰和10%的硅粉。集料最大粒徑為20mm;自密實,坍落度為600mm。采用了3臺世界上最大的混凝土泵,壓力可達35MPa。配套直徑為150mm的高壓輸送管。8.3無梁樓板和自升式模板系統(tǒng)圖2整個基礎(chǔ)筏板混凝土接近45000m3,按中心部分和3個翼板分成4段澆筑,每段相隔24h。上部結(jié)構(gòu)的墻體用自升