哈利法塔的结构分析与布置

哈利法塔建筑结构设计实例与分析姓名：学号：专业：目录第1章 哈利法塔简介1第2章 哈利法塔的结构类型12.1 建筑的结构类型分类12.2 哈利法塔的建筑结构分析2第3章 哈利法塔的结构布置33.1三叉形整体平面布置33.2核心筒布置43.3由下至上的结构布置5第4章 哈利法塔的主要构件8第5章 哈利法塔设计的主要难度和亮点95.1 哈利法塔的主要设计难点95.2 哈利法塔的主要设计亮点9第1章 哈利法塔简介哈利法塔（Buri Khalifa Tower）（原名迪拜塔，又称迪拜大厦或比斯迪拜塔）是韩国三星公司负责营造，位于阿拉伯联合酋长国迪拜的一栋有162层，总高828米的摩天大楼。哈利法塔2004年9月21日开始动工，2010年1月4日竣工，为当前世界第一高楼与人工构造物，造价达15亿美元。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)。第2章 哈利法塔的结构类型2.1 建筑的结构类型分类建筑结构名称特性优点砖木结构1. 用砖墙、砖柱、木屋架作为主要承重结构的建筑；2. 适用于低层建筑；1. 结构建造简单；2. 材料容易准备；3. 费用较低；砖混结构1. 以小部分钢筋混凝土及大部分砖墙承重的混合体结构；2. 对承重墙不能改动，仅适用于低层建筑；钢筋混凝土结构1. 钢筋会阻碍混凝土硬化时的自由收缩，在混凝土中会引起拉应力，可采用预加应力的方法;对混凝土预先施加压力；2. 受温度影响严重，温度高于60C时，混凝土材料的内部结构会遭到损坏，其强度会有明显降低；3. 主要用于大型公共建筑、工业建筑和高层住宅；1. 坚固、耐久、防火性能好；2. 比钢结构节省钢材和成本低；钢结构1. 主要承重构件全部采用钢材制作；2. 结构主要由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件组成，各构件或部件之间通常采用焊缝、螺栓或铆钉连接；3. 广泛应用于大型厂房、场馆、超高层等领域；1. 材料强度高，自身重量轻；2. 钢材耐热，韧性塑性好，材质均匀，结构可靠性高，密封性能好；3. 钢结构制造安装机械化程度高；4. 低碳、节能、绿色环保，可重复利用；框架结构1. 梁和柱以刚接或者铰接相连接而成，构成承重体系的结构；2. 结构的房屋墙体不承重，仅起到围护和分隔作用；1. 空间分隔灵活，自重轻，节省材料；2. 框架结构的梁、柱构件易于标准化、定型化，便于采用装配整体式结构，以缩短施工工期；框剪结构1. 主要结构是框架，由梁柱构成，小部分是剪力墙；2. 适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑；1. 既能为建筑平面布置提供较大的使用空间，又具有良好的抗侧力性能；核心筒结构1. 外围是由梁柱构成的框架受力体系，而中间是筒体；2. 适用于高层建筑结构；1. 具有极优的抗震性；2. 有良好的抗侧力性能；2.2 哈利法塔的建筑结构分析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。即第一：-30601m为钢筋混凝土剪力墙体系；第二：601828m为钢结构，其中601760m采用带斜撑的钢框架。第三：整体来看是一个竖向带扶壁的核心筒结构。迪拜塔是典型的钢筋混凝土筒中筒结构，横截面为“Y”状十字形平面，除了它美学和功能上的优点，螺旋形的“Y”状十字形平面被用来塑造哈利法塔的结构核心。这个设计是为了降低塔上受到的风力，也是了保证结构的简单和施工的可行性。结构体系可以被描述成“支撑核心”，是由高性能的混凝土墙结构组成的。塔的每一翼经由一个六边形的中央核心或者说是六角形的中心支持着其它翼。这个中央核心提供了整个结构抗扭强度，与一个封闭的管子或轮轴相似。通道墙从中央核心延伸到每个翼的尽头，以变厚的锤头墙结束。这些通道墙和锤头墙在抵抗风的剪切力和弯矩上表现相似。周围边界上柱子和平坦的实心肋板使结构体系变得完整。在设备层，悬臂墙被用来连接边界上的柱子到内墙系统，允许边界上的柱子参与抵抗结构受到的横向荷载，结果塔的侧向刚度和抗扭刚度都非常大。而且它还是一个非常有效率的结构，因为它的重力荷载抵抗系统也被使用起来，将它抵抗侧向荷载的作用最大化。第3章 哈利法塔的结构布置3.1三叉形整体平面布置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。图1 三叉形平面3.2核心筒布置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。图2 核心筒分布3.3由下至上的结构布置（1） 基础结构布置：如图3，钢筋和混凝土的基础是由一组组经纬交错的基础元件构成，中心服务核为建筑提供了强侧阻力，它由钢筋混凝土、电梯和通风管道构成；三角形基座的厚度为3.7米，这个三角形基座由192根直径为1.5米的深入地下50米的钢管桩或支柱缸体支撑。图3 基础 如图4，加强混凝土是现代建筑中常用材料，为建筑提供额外的强度；图4 加强混凝土 如图5，所有的梁柱按照建筑的框架由钢结构连接起来；图5 钢接头（2） 中间的中心六角墙筒体和四周的端柱中心六角墙核心筒靠风墙和锤头墙支撑，用来支撑重力和侧向荷载，四周端柱承受建筑所有的横向荷载；中心筒的抗扭作用可以模拟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。由于加强层的协调，端部柱子也参加抗侧力工作。中间部分整体上看，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，且有5个加强层，如图6所示。图6 加强层（3） 顶部601 m 以上是带交叉斜撑的钢框架，它承受重力、风力和地震作用。钢框架逐步退台，从第l8级的核心筒六边形到第29级的小三角形。从760米的高度开始，它设计了一种螺旋管钢结构体，从建筑物内部一直延伸到顶端，这个螺旋管可以用液压千斤顶提升，作为增加建筑物高度的支柱。第4章 哈利法塔的主要构件位置结构类型主要构件简介序号顶部760-828m钢结构螺旋管钢结构体建筑物内部一直延伸到顶端，这个螺旋管可以用液压千斤顶提升，作为增加建筑物高度的支柱1中间段601-760m钢结构带交叉斜撑的钢框架承受重力、风力和地震作用；钢框架逐步退台，从第l8级核心筒六边形到第29级的小三角形；20-601m钢筋混凝土剪力墙体系六边形核心筒整个抗侧力体系是一个竖向带扶壁核心筒，六边形核心筒居中，用来支撑重力和侧向荷载；3纵向走廊墙每一翼的纵向走廊墙形成核心筒的扶壁，共6道；4横向分户墙横向分户墙作为纵墙的加劲肋；既可与走廊墙之间形成可利用空间，又由于有楼板的连接，也可将横向的荷载传给护墙和纵向走廊墙；5端柱每翼的端部有4根独立的端柱，承受横向的荷载；6刚性大梁建筑设计在竖向布置了7个设备层兼避难层，。利用其中的5个设备层做成结构加强层。加强层设置全高的外伸剪力墙作为刚性大梁； 7无梁楼板纵向各层空间的隔开；由于无量结构，增加了空间的利用率和美观；8安装墙墙被最后安装上，由典型的建筑材料玻璃幕墙构成。9地底-70-0m钢筋混凝土剪力墙结构体系基础由一组组经纬交错的基础元件构成，中心服务核为建筑提供了强侧阻力，它由钢筋混凝土、电梯和通风管道构成；10加强混凝土为建筑提供额外的强度11钢筋混凝土框架（梁、柱）在基础上搭建的混凝土框架结构，使得基础矩阵连接成为一个整体；12钢接头所有的梁柱按照建筑的框架由钢结构连接起来13第5章 哈利法塔设计的主要难度和亮点5.1 哈利法塔的主要设计难点1.整体的重量达到50万吨，对基础、基座的承载要求较高，使得对基础、基座的设计成为难点；2.迪拜处于热带，有着极端炎热的夏季高温，玻璃墙透光会使得室内温度高，如何选择好的玻璃幕墙也成为了设计的难点；3.迪拜所处在阿拉伯半岛，北临地中海，东临印度洋，由于空气对流会形成较强的风力，对于超高的哈利法塔来说，抗风的设计也成为了一项设计难点；4.对于超高建筑而言，由于自身的重量的缘故，对建筑稳定性的要求很高，否则一旦不稳固，建筑的自重将会给其本身造成严重的破坏，这使得抗震设计对于超高层建筑成为了普遍的设计难点；5.2 哈利法塔的主要设计亮点1. 基础这个超级结构是由一个巨大的钢筋混凝土垫子支撑着的，而这个垫子是由很多钢筋混凝土桩组成的，整个设计是基于广泛的岩土和地震研究结果。垫子厚3.7m，由四块独立浇筑总计12，500立方米的混凝土组成。直径1.5m长43m柱子的使用，意味着最大和最长的柱子在这个地区照常理是可用的。由于迪拜的地下水含高浓度氯化物和硫化物，容易侵蚀水泥和金属柱，结构工程师特别选用极高密度的水泥，还有就是在垫子下有个阴极保护系统，都是为了减少地下水中腐蚀性化学物质的侵蚀程度。2. 基座 基座是由型钢和钢筋混凝土组成的，并由一组组经纬交错的基础原件构成，为迪拜塔提供了一个固定在地面上的基础。所有的基座可以承受100万吨以上的重量，最终迪拜塔828米50万吨的重量对这些基座来说完全是绰绰有余，甚至大楼还可以再加高200层。这些基座还使竣工后的迪拜塔能轻松经受里氏6级的地震，还能在每秒60米的大风中保持稳定，在高楼办公的人们也不会感受到任何摇晃。3. 玻璃幕墙 外饰面由用反射性质的铝和有织纹的不锈钢上釉的窗拱肩面板以及不锈钢垂直管状散热片组成。26,000块单独手工剪切的玻璃嵌板被用于哈利法塔的外饰面。超过300名来自中国的玻璃幕墙专家被引入到了塔的外饰面工作中。外饰面系统被设计来抵挡迪拜极端炎热的夏季高温，并且为了进一步确认其完整性，一个二战时飞机的引擎被使用来进行玻璃幕墙的动态风和水测试。哈利法塔所有的玻璃幕墙足以覆盖17座足球场或25座橄榄球场。4. 抗风设计在考虑风对迪拜塔的影响时，设计团队认为与其“对抗”强风，不如“欺骗”强风。当这个建筑随高度螺旋上升，每一翼会逐渐收缩，塔楼每一段的设计都以不同方式偏向风，使整个塔的形状诡异多变。塔的收缩使每一楼层具有不同的宽度，塔的这种变化和形状有“扰乱风”的作用：风漩涡难以在塔的背风面形成，因为在每一个新的楼层风又会遭遇到一个不同的建筑形状，破坏了强风对对大楼的影响力。5. 抗震设计 结构工程师团队使用地震模拟器（振动台）对等比例缩小的迪拜塔模型进行振动测试。在较小地震下大楼的晃动很小，随着震动强度的增大，大楼的晃动随之变得剧烈，但是性能依然非常好：底下的地面晃动非常剧烈，顶层却几乎不动。这是因为迪拜塔主体结构是巨大的钢筋混凝土骨架，赋予了大楼超高的强度，而钢梁的加入则给整体结构加入了柔性，柔性的加入提高了结构的抗震性能，在地震时，主体钢筋混凝土骨架屹立不动，