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(jì)。該項(xiàng)目的總承包商為韓國三星。由中國江蘇南通六建集團(tuán)通過標(biāo)準(zhǔn)配置進(jìn)行建設(shè)，墻體由香港遠(yuǎn)東、上海龍進(jìn)和陜西恒遠(yuǎn)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(shí),總造價(jià)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(qiáng)鋼筋為65000t,型鋼為39000t)。總建筑面積為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(dòng)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(yù)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(rèn)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(gè)逐漸升高的退臺形成螺旋線,整個(gè)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(lán)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(jià)約為人民幣8億元,約為6000元/m2。哈利法塔很高,風(fēng)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(yàn)為了給主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幕墻設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù),進(jìn)行了40次以上的風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)在加拿大安大略RWDI邊界層風(fēng)洞進(jìn)行。風(fēng)洞尺寸為2.4m×1.9m和4.9m×2.4m。分別進(jìn)行了剛性模型的力平衡試驗(yàn)和彈性模型的多自由度試驗(yàn)。按50年一遇的風(fēng)力,做了風(fēng)壓分布、風(fēng)環(huán)境(圖5)、風(fēng)氣候等方面的研究。模型測點(diǎn)為1140個(gè)。剛性和氣彈性整體模型為1/500,局部風(fēng)力研究的模型為1/250及1/125。取用了6個(gè)主風(fēng)向:3個(gè)翼尖方向和3個(gè)凹入方向,試驗(yàn)表明主控制方向是翼尖風(fēng)向。50年一遇風(fēng)力按55m/s考慮,最大風(fēng)力在退臺附近。最大負(fù)風(fēng)壓為-5.5kPa,最大正風(fēng)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(yīng)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(jì)六七十年代的普遍共識。這個(gè)時(shí)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(jì)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(jìn)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(xiǎn)(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(diǎn)601m處,最大位移僅450mm;到了鋼框架頂點(diǎn)760m處,位移就迅速增大至1250mm;到鋼桅桿頂點(diǎn)828m處,位移就達(dá)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(fēng)荷載,有利于超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計(jì)。同時(shí)對稱的平面可保持平面形狀簡單,施工方便。整個(gè)抗側(cè)力體系是一個(gè)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(dú)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(gè)封閉的空心軸,由3個(gè)翼上的6道縱墻扶壁而大大加強(qiáng);而走廊縱墻又被分戶橫墻加強(qiáng)。整個(gè)建筑就像一根剛度極大的豎向梁,抵抗風(fēng)和地震產(chǎn)生的剪力和彎矩。由于加強(qiáng)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(jì)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(shí)也避免了墻、柱截面突然變化給施工帶來的困難。全高21個(gè)退臺要形成優(yōu)美的塔身寬度變化曲線,且要與風(fēng)力的變化相適應(yīng)。建筑設(shè)計(jì)在豎向布置了7個(gè)設(shè)備層兼避難層,每個(gè)設(shè)備層占二三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層。利用其中的5個(gè)設(shè)備層做成結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層(圖7)。加強(qiáng)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(yīng)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(jì)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(jì)按美國規(guī)范ACI318-02進(jìn)行?；炷翉?qiáng)度等級: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(jìn)行了構(gòu)件截面尺寸的仔細(xì)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(yīng)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(jì)時(shí)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(yīng)),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(jì),計(jì)算圖形為交叉斜桿。這個(gè)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)601m以上是帶交叉斜撐的鋼框架,它承受重力、風(fēng)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(jì)的,它可從下面接長,不斷頂升,預(yù)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(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(yīng))、風(fēng)荷載和地震效應(yīng)。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(gè)殼元、75000個(gè)節(jié)點(diǎn)。分析參數(shù)如下。(1)風(fēng)力:50年一遇,55m/s,風(fēng)壓按風(fēng)洞試驗(yàn)取值;(2)地震:按美國標(biāo)準(zhǔn)UBC97的2a區(qū),地震系數(shù)為0.15,相當(dāng)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(fēng)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(gè)位移值低于通用的標(biāo)準(zhǔn),符合設(shè)計(jì)的要求。動(dòng)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(jì)有作用。6長期負(fù)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(shí)情況。因?yàn)殚L期過程,即與時(shí)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(jì)中對這些因素進(jìn)行了詳細(xì)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(gè)階段,采用三維模型進(jìn)行分析,同時(shí)也考慮了收縮和徐變。每個(gè)模型都代表施工過程的一個(gè)時(shí)間點(diǎn),施加當(dāng)時(shí)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(bǔ)償施工過程中兩個(gè)方向的平移應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果予以補(bǔ)償、校正;豎向壓縮則每層的層高應(yīng)增加一個(gè)補(bǔ)償值。中心筒在施工過程中會產(chǎn)生偏心,偏心調(diào)整應(yīng)每層進(jìn)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(bǔ)償。6.4豎向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的分配結(jié)構(gòu)豎向壓縮每層平均為4mm,整座建筑的頂點(diǎn)為650mm。這個(gè)縮短通過每層標(biāo)高的調(diào)整來補(bǔ)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(yīng)變相同,混凝土分擔(dān)的內(nèi)力會逐漸減少,而鋼筋的內(nèi)力會相應(yīng)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(yàn)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(jì)承載力為3000t?，F(xiàn)場進(jìn)行了壓樁試驗(yàn),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?yàn)?.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(shí)混凝土(SCC),加40%粉煤灰,水灰比為0.34。在現(xiàn)場進(jìn)行了坍落度和流動(dòng)性試驗(yàn)。鋼筋間距雙向?yàn)?00mm,但在每一個(gè)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(shí)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(hù)網(wǎng)。筏板連同樁、周邊土體進(jìn)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(shí)沉降為30mm。工程完工后,實(shí)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(qiáng)度達(dá)到10MPa以保證混凝土施工能正常循環(huán)。最終強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)度增長率及和易性損失值。8.2混凝土泵送試驗(yàn)哈利法塔創(chuàng)造了混凝土單級泵送高度的世界記錄-601m。達(dá)到這個(gè)空前高度的最大困難是混凝土的配合比設(shè)計(jì)。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(jìn)行了一次水平泵送試驗(yàn),泵送壓力與送到600m高度的壓力相同。試驗(yàn)確認(rèn)了泵送600m高度的可行性,并實(shí)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(shí),坍落度為600mm。采用了3臺世界上最大的混凝土泵,壓力可達(dá)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(gè)基礎(chǔ)筏板混凝土接近45000m3,按中心部分和3個(gè)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