世界最高建筑哈利法塔结构设计和施工

1、世界最高建筑“哈利法塔力结构设计和施工摘要：迪拜哈利法塔高度达 828m ，是目前世界最高的建筑。这个高度已超越了纯钢结构高层建筑的使用范围，但又不同于内部混凝土外围钢结构的传统模式，在体系上有所突破。由于超高，设计上着重解决抗风设计和竖向压缩、徐变收缩等竖向变形问题。施工上将C80混凝土一次泵送到601m 的高度，创造了一个新的奇迹。关键词：超高层建筑；混合结构体系；风洞试验；时间过程分析；超高强度混凝土 工程概况迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑，由美国 SOM公司设计，工程总承 包单位为韩国三星，我国7工苏 南通六建集团公司承包土建施工，幕墙分别由香 港远东、上海力进、陕西恒远三家公司承

2、包。自 2004年9月至2010年1月。总 工期为1325d，用工2200万工时，总造价为15亿美元。建筑总高度为828m ; 混凝土结构高度为601 m ;基础底面埋深为30 m ;桩尖深度为70 m ;全部 混凝土用量为330000m，总用钢量为104000t（高强钢筋为65000t ,型钢为 39000 t）。总建筑面积为526700m ;塔楼建筑面积为344000m :塔楼建筑重量 为50万t;可容纳居住和工作人数为12000人；有效租售楼层为162层。哈利法 塔是一座综合性建筑，37层以下是阿玛尼高级洒店；45108层是高级公寓，共 700套，78层是世界最高楼层的游泳池：10816

3、2层为写字楼；124层为世界 最高的观光层，透过幕墙的玻璃可看到 80km外的伊朗；158层是世界最高的活 真寺；62层 以上为传播、电信、设备用楼层，一直到206层；顶部570 m 是钢 桅杆。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，可由底部不断加长，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。至U2009年底，确认5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。2010年1月4日，哈利法塔举 行了开幕式，正式宣布建成 建筑设计哈利法塔的建筑理念是“沙漠之花一一Desert Flower ”，平

4、面是三瓣对称盛开的花朵；立面通过21个逐渐升高的退台形成螺旋线，整个建筑物像含苞待放的鲜花。这朵鲜花在沙漠耀眼的阳光下，幕墙与蓝天一色，发出熠熠光辉。三瓣盛开的沙漠之花一哈利法塔的建筑幕墙总面积为13。5万m2,其中塔楼部分为12万m。幕墙总造价约为人民币8亿元。约为6000元/m2。哈利法塔很高，风力作用下，上部楼层水平位移较大，将洒店和公寓安排在 下部楼层，办公楼层放在上层，可获得更好的舒适性。按现在的布局，公寓最高 层为108层，最大位移为450mm，办公最高层为162层，最大位移为1250mm 风洞试验为了给主体结构设计和幕墙设计提供技术依据，进行了40次以上的风洞 试验。风洞试验在加

5、拿大安大略 RW DI边界层风洞进行。风洞尺寸为2.4 m x1.9m和4.9 mx2.4m。分别进行了刚性模型的力平衡试验和弹性模型的多自由度试 验。按50年一遇的风力，做了风压分布、风环境、风气候等方面的研究。模型 测点为1140个。风环境试验刚性和气弹性整体模型为1 /500,局部风力研究的 模型为1 /250及1 /125。取用了 6个主风向：3个翼尖方向 和3个凹入方向，试 验表明主控制方向是翼尖风向。50年一遇风力按55m /s考虑。最大风力在退 台附近。最大负风压为-5.5 kPa，最大正风压为+3.5 kPa。 结构体系和结构布置4.1结构体系全钢结构优于混凝土结构，适合于超高

6、层建筑”，这是2O世纪六七十年 代的普遍共识。这个时期大量建造了 300m 以上的钢结构高层建筑，如1971年 建成的纽约世界贸易中心双塔（412m）、1974年建成的芝加哥西尔斯大厦（442m）。到了 20世纪八九十年代，人们发现纯钢结构已不能满足建筑高度进一 步升高的要求，其原因在于钢结构的侧向刚度提高难以跟上高度的迅速增长。从此以后，钢筋混凝土核心筒加外围钢结构就成超高层建筑的基本形式。我国如上海金茂大厦（1997年，420m）、台北101（1998年，48m）、香港国际金融（2010 年，420m）、广州西塔（2010年，460m）、广州电视塔（2009年，460m）、上海 环球金融（

7、2009年，492 m）、上海中心（2014年，632m），深圳平安保险（在建， 680m）等。均无一例外。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；601828m为钢结构, 其中601760m采用带斜撑的钢框架。我们可以比较一下：纽约世贸中心纯钢结构，412m处的最大侧移为1000mm ;而哈利法塔混凝土结构，601m处 的最大侧移仅为450mm。即使从哈利法塔本身来看。到混凝土结构的顶点 601m处，最大位移仅 450mm :到了钢框架顶点760m 处，位移就迅速增大至1250mm ;到钢桅杆 顶点828m处

8、，位移就达到了 1450mm。所以哈利法塔把洒店和公 寓都布置在 601m以下的混凝土结构部分；而将601m以上的钢结构部分作为办公楼使用。 4.2结构布置采用三义形平面可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。同时对称的平面可保持平面形状简单施工方便。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 抗扭刚中心筒的抗扭作用可模拟为一个封闭的空心轴，由3个翼上的6道纵墙扶壁而大大加强：而走廊纵墙乂

9、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，使端部柱也参加抗 侧力工作。4.3竖向布置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。分段步步切断可使墙、柱 的荷载平顺地逐渐变化，同时也避免了墙、柱截面突 然变化给施工带来的困难。全高21个退台要形成优美的塔身宽度变化曲线，且 要与风力的变化相适应。建筑设计在竖向布置了 7个设备层兼避难层，每个设层 占二三个标准层。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，使得端部柱的轴力形成大力矩抵抗侧向力的倾覆力矩。而且，冈叶生大梁调整了各墙、柱

10、的竖向变形，使得它们的轴向应力更均匀，降低 了各构件徐变的变形差。 结构设计和结构分析5.1混凝土结构设计混凝土结构设计按美国规范 ACI318 02进行。混凝土强度等级：127层以 下为C80 ; 127层以上为C60。C 80混凝土 90d弹性模量为43800N /mm2 ,采用硅酸盐水泥，加粉煤灰。进行了构件截面尺寸的仔细调整以减少各构件收缩和徐变变形差。原则上使端柱和剪力墙在自重作用下的应力相近。由丁柱和薄的剪力墙收缩较大，所以端柱的厚度与内墙相同，取 600mm。设计时尽量考虑构 件的体积与表面积的比值接近，使各构件的收缩速度接近，减少收缩变形差。在 立面内收处，钢筋混凝土连梁要传递

11、竖向荷载（包括徐变和收缩的效应），并联系 剪力墙肢以承受侧向荷载。连梁按 ACI318 02附录A设计，计算图形为交义 斜杆。这个设计方法可使连梁高度降低。楼层数量多，压低层高有很大的意义。 标准层层高为3. 2m ,采用无梁楼板， 板厚为300mm。身.匕4%w-'l"FrI:.-.-qlAtmB1- -.,.JrlMllf rrl r -J.3.J-二:.r.ylc5.2钢结构设计601 m以上是带交义斜撑的钢框架，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。这根桅杆是为保持世界第一建筑

12、高度而专门设计的，它可从 下面接长，不断顶升（类似塔吊的原理），预留了 200m的上升高度。所有外露的钢结构都包铝板作为装饰。钢结构按美国钢结构协会AISC（钢结构建筑荷载和抗力系数设计规范进行设计。5.3结构分析结构分析采用ETABS8. 4版，考虑了重力荷载（包括P-D二阶效应）、风荷 载和地震效应。建立三维分析 模型，包括钢筋混凝土墙、连梁、板、柱、顶部 钢结构、筏板和桩。分析模型共73500个壳元、75000个节点。分析参数如下。 （1）风力：50年一遇,55 m /s,风压按风洞试验取值；（2）地震：按美国标准UBC97 的2a区，地震系数为0.15，相当于我 国8度设防;温度：气温

13、变化范围为2 54 C。分析结果表明,在5O年一遇风力作用下，结构水平位移：828m顶部处 为1450mm ,办公层顶部处为1250mm ,公寓层顶部处为450mm。这个位移值 低于通用的标准，符合设计的要求。动力分析得到各振型和周期：T1=11.3s（X向），T2=10.2s（Y 向）,T5=4.3s（ ffl转）。内力分析表明，钢筋混凝土塔楼部分地震力不起控制作用：但裙房和顶部钢结构处，地震内力对设计有作用。 长期荷载分析和施工过程分析6.1超高建筑竖向荷载的时间和过程效应通常采用线性有限元分析竖向荷载下的墙、 柱内力和位移。随高度增加，这 种分析方法会偏离真实情 况。因为长期过程，即与时

14、间相关的施工顺序、徐变、 收缩都会引起内力重分布，而且竖向荷载还产生水平侧移，这些采用常规分析是 不可能的。哈利法 塔设计中对这些因 素进行了详 细的分 析。分析采 用了 GL2000(2004)模型，考虑了钢筋的影响，也考虑了施工过程。6.2施工过程分析施工全过程分成15个阶段，采用三维模型进行分析，同时也考虑了收缩和 徐变。每个模型都代表施工过程的一个时间点， 施加当时所增加的新荷载。到施 工结束，分析还延续到50年后。6.3补偿技术施工过程中两个方向的平移应根据计算结果予以补偿、校正；竖向压缩则每 层的层高应增加一个补偿值。中心筒在施工过程中会产生偏心，偏心调整应每层 进行，可以通过纠正

15、重力荷载产生的侧移（弹性位 移、基础底板沉降差、徐变、 收缩）来补偿。6.4竖向缩短结构竖向压缩每层平均为4mm ,整座建筑的顶点为650mm。这个缩段通过 每层标高的调整来补偿。由于收缩和徐变，钢筋混凝土竖向构件的内力会在钢筋 和混凝土之间重新分配。由于要求两者应变相同，混凝土分担的内力会逐渐减少， 而钢筋的内力会相应增加。哈利法塔第135层的墙、柱中钢筋与混凝土的内力比 会从 15%, 85% 变为 30%, 70%。 地基和基础采用摩擦桩加筏板联合基础。7.1地基地基为胶结的钙质土和含砾石的钙质土。 天然地基土与混凝土桩的表面极限 摩擦力为250350 kPa。7.2桩194根现场灌注桩

16、.长度约 43m，直径为1500mm。桩的设计承载力为 3000t。现场进行了压桩试验，最大 压力为6000t ,桩尖深度为70m 。迪拜地下 水有腐蚀性，氯离子浓度为4.5%,硫为0.6%。因此桩采用C60混凝土，加25% 粉煤灰和7%硅粉；水灰比为0.32，坍落度为675mm7.3筏板筏板厚度为3.75m，采用C50自密实混凝土 （SCC），添加40 %粉煤灰，水灰 比为0.34。在现场进行了坍落度和流动性试验。钢筋问距双向为 300mm ,但在 每一个方向每隔10根钢筋取消1根钢筋.形成600mm x600mm的无钢筋洞口，便于浇筑混凝土。为了研究浇灌工艺和控制温升的措施，在现场制作了边

17、长为 3.75m的实大立方体。为减弱地下水的腐蚀作用，底板铺设了一层钛丝编织的 阴极保护网。筏板连同桩、周边土体进行了三维有限元分析。分析指出，基础长 期沉降为80mm，施工到135层时沉降为30mm.工程完工后，实测沉降为 60mm o 施工8.1混凝土配合比竖向结构混凝土要求10h强度达到10MPa以保证混凝土施工能正常循环。最终强度达到80 M Pa（127层 以下）和60MPa（127层以上），C80混凝土的弹性 模量为44000MPa。混凝土还要有好的和易性，有适合于600m泵送高度的坍落 度。迪拜冬天冷，夏天气温则在5O摄氏度以上，所以不同季节要调节混凝土的 强度增长率及和易性损失

18、值。8.2混凝土的超高度泵送哈利法塔创造了混凝土单级泵送高度的世界记录一601m。达到这个空前高 度的最大困难是混凝土的配合比设计。采用了 4种不同的配合比以便能用较小的 压力把混凝土送到不同的高度。2005年4月进行了一次水平泵送试验，泵送压力 与送到600m高度的压力相同。试验确认了泵送600m高度的可行性，并实测了 摩擦系数，泵送压力为20MPa。所用的泵送混凝土含13%粉煤灰和10 %的硅粉。 集料最大粒径为20mm ;自密实，坍落度为600mm。采用了 3台世界上最大的 混凝土泵，压力可达35MPa。配套直径为150mm的高压输送管。8.3模板和混凝土浇筑整个基础筏板混凝土接近45000m，按中心部分和3个翼板分成4段浇筑，每 段相隔24h。上部结构的墙体用自升式模板系统施工，端柱则采用钢模施工.无 梁楼板用压型钢板作为模板。首先浇筑中心筒及其周边楼板，然后浇筑翼墙及相 关楼板，最后是端柱和附近楼板。8.4施工监测本工程高达82