迪拜塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工

摘要：迪拜塔（哈利法塔）高度達828m，是目前世界最高的建筑。這個高度已超越了純鋼結(jié)構(gòu)高層建筑的使用范圍，但又不同于內(nèi)部混凝土外圍鋼結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)模式，在體系上有所突破。由于超高，設(shè)計上著重解決抗風(fēng)設(shè)計和豎向壓縮、徐變收縮等豎向變形問題。施工上將C80混凝土一次泵送到60lm的高度，創(chuàng)造了一個新的奇跡。迪拜塔基座造型為伊斯蘭教建筑風(fēng)格，采用了六瓣的沙漠之花，整個大樓外形呈“Y”形，由三個建筑主體逐漸連貫成為一個核心體，并螺旋上升，至頂部轉(zhuǎn)換為尖塔。

關(guān)鍵詞：超高層建筑；混合結(jié)構(gòu)體系；風(fēng)洞試驗；時間過程分析；超高強度混凝土； 伊斯蘭教建筑風(fēng)格

1、建筑設(shè)計

1.1 造型

哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花…Desert Flower”，平面是三瓣對稱盛開的花朵（如圖）；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13.5萬平方米，其中塔樓部分為12萬平方米。幕墻總造價約為人民幣8億元，約為每平方米6000元。

事實上，周邊的建筑環(huán)境以及迪拜的氣候?qū)Φ习菟加泻苌畹挠绊憽５习菟妮喞袞|建筑的標志性元素：包括洋蔥頭、尖頂拱門和當?shù)氐幕ɑ堋＜偃缯f迪拜塔和當?shù)仄渌ㄖ惺裁床灰粯拥牡胤剑蔷褪窃诘习荩ＡТ_實不是一種常用的建材。但迪拜塔雙層玻璃能營造出很好的外觀效果，而且它還能與樓內(nèi)獨創(chuàng)的冷凝收集系統(tǒng)相互作用，每年產(chǎn)生1500 萬加侖的水用于澆灌，相當于20 個奧運會游泳池的容量。

2、結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置

2.1、結(jié)構(gòu)體系

“全鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，適合于超商層建筑”，這是上一個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）。到了八九十年代，人們發(fā)現(xiàn)純鋼結(jié)構(gòu)己經(jīng)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（1997，420m）、臺北101 （1999，448m）、香港國際金融（2010，420m）、廣州西塔（2010，460m）、廣州電視塔（2009， 460m）、上海環(huán)球金融（2009、492m）、上海中心（2014、632m），深圳平安保險（在建，680m）等，均無一例外。

迪拜塔做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。30m～601m為鋼筋混凝土剪力墻體系；601m～828m為鋼結(jié)構(gòu)，其中601m～760m采用斜撐的鋼框架。

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1000mm；而迪拜塔混凝土結(jié)構(gòu)601m處的最大側(cè)移450mm。

即使從迪拜塔本身來看.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；到鋼桅桿項點828m處，位移就達到1450mm了。所以迪拜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。

2.2、結(jié)構(gòu)布置

采用三叉形平面可以取得較大的側(cè)向剛度，降低風(fēng)荷載，有利于超高層建筑抗風(fēng)設(shè)計。同時對稱的平面可以保持平面形狀簡單，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，共六道；橫向分戶墻作為縱墻的加勁肋：此外，每翼的端部還有四根獨立的端柱。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。

中心筒的抗扭作用可以模擬為一個封閉的空心軸。這個軸由三個翼上的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(fēng)和地震產(chǎn)生的剪力和彎矩。由于加強層的協(xié)調(diào)，端部柱子也參加抗側(cè)力工作。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析

3.1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計按照美國規(guī)范ACI 318-02進行。

混凝土強度等級：127層以下C80；127層以上C60、C80混凝土90天彈性模量E=43800N/mm2。采用硅酸鹽水泥.加粉煤灰。

進行了構(gòu)形截面尺寸的仔細調(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(yīng)力相近。由于柱子和薄的翦力墻的收縮較大，所以端柱的厚度取與內(nèi)墻相同，即600mm。設(shè)計時盡量考慮構(gòu)件的體積與表面積的的比值接近，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ACI 318—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)量眾多，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。

3.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

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。這根桅桿是為了保持建筑高度世界第一而專門設(shè)計的，它可以從下面接長，不斷頂升，預(yù)留了200m的上升高度。

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。

4、工程特點、難點

迪拜塔高度高，風(fēng)荷載和地震產(chǎn)生的彎矩、剪力大，因此迪拜塔的設(shè)計進行了風(fēng)洞測試，以確保它能抵御任何天氣狀況。建筑物的外形決定了它對抗強風(fēng)和惡劣天氣的能力，迪拜塔的設(shè)計就能分散空氣阻力，減小風(fēng)力對建筑的影響。中心筒在施工過程中會產(chǎn)生偏心，迪拜塔的偏心調(diào)整在每層進行，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。本工程高達828m。施工測量控制成為突出的問題。現(xiàn)有的測量手段無法滿足要求。本工程施工采用了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS控制施工全過程的精度。為了保證“迪拜塔”在建設(shè)過程中的穩(wěn)定，它的垂直方向和水平方向的動態(tài)，都由一個全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行跟蹤。在建設(shè)期間，建筑物的重力變化情況，由設(shè)置在建筑物中的700多個傳感器進行實時監(jiān)測。（作者單位：1.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部2011級；2.大連理工大學(xué)機械工程與材料能源學(xué)部2012級）

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