欣赏--迪拜哈利法塔结构设计及健康监测

近日，世界第一高楼哈利法塔被闪电击中，这座备受瞩目的建筑以一种独特的方式再次吸引了世人的眼球。在欣赏哈利法塔顶端这一神奇瞬间的同时，也让我们深入了解一下哈利法塔的结构设计及其足尺结构健康监测体系吧。

1 工程概况

哈利法塔是目前世界上最高的建筑（图1），其高度为828m，是一座集酒店、公寓、写字楼等为一体的综合性建筑。有效租售楼层162 层，建筑面积526700 m2，塔楼建筑面积344000 m2，总造价为15亿美元。工期自2004年9月至 2010年1月。

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（图2），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。到2009年底，确认五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。塔楼酒店平立面及整体立面图见图3，4。2010年1月4日，哈利法塔举行了开幕式，正式宣布建成。

2 建筑幕墙

2.1 幕墙系统概况

哈利法塔的建筑幕墙（图5）总面积为13.5万m2，其中塔楼部分为12万m2。在塔楼幕墙中，玻璃10.5万m2，不锈钢板1.5万m2，相当于17个足球场面积。采用单元式幕墙，共有23566个单元板块。

幕墙安装从2007年5月开始，到2009年9月完工，历时30个月。开始一天只能安装20~30个单元，最后最高每天可达175个单元。幕墙总造价约为人民币8亿元，约为6000元/m2。

2.2入口处索网双层幕墙系统

三个入口处设入口大厅，周边均由索网双层幕墙封闭，分别用于酒店、公寓、写字楼。为做到透光不透热，做双层通风幕墙，内外幕墙均用索网。两道幕墙均为圆柱形，竖向为直线，水平是圆弧。见图6。

2.3 幕墙金属支承结构的防雷
为了保证强大的雷电电流能顺畅导入地下，首先支承结构的各构件都必须电气连通，形成建筑表面的防雷网。这一防雷系统必须与主体结构的防雷系统可靠连接，通过主体结构的防雷导线将雷电引入地下。由金属梁柱构成的防雷网，就像“金钟罩”一样保护了建筑本身。至今所有遭受雷击的超高层建筑，幕墙都未受到损坏。哈里法塔在2010年遭受雷击的照片见图7。

3 结构体系和结构布置

3.1 结构体系

哈利法塔采用下部混凝土结构、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，601~828m为钢结构，其中601~760m采用带斜撑的钢框架。

3.2 结构布置

采用三叉形平面可以取得较大的侧向刚度，整个抗侧力体系（图8，9）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，共六道；横向分户墙作为纵墙的加劲肋；此外，每翼的端部还有四根独立的端柱。

3.3 竖向布置
竖向形状按建筑设计逐步退台，退台要形成优美的塔身宽度变化曲线，而且要与风力的变化相适应。在竖向布置了七个设备层兼避难层，利用其中的五个设备层做成结构加强层（图10）。

4 结构设计
混凝土结构设计按美国规范 ACI 318-02 进行。混凝土强度等级：127层以下C80；127层以上C60。端柱的厚度取与内墙相同，即600mm。标准层层高为3.2m，采用无梁楼板，板厚为300mm（图11）。

塔楼601m以上是带交叉斜撑的钢框架。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，见图12，13。

采用摩擦桩加筏板联合基础（图14）。194根现场灌注桩，长度约43m，直径1500mm。桩尖深度-70m（图15）。筏板厚度3.75m。对筏板连同桩、周边土体进行了三维有限元分析，分析表明，基础长期沉降为80mm，施工到135层时沉降30mm，工程完工后，实测沉降为60mm。

5 结构健康监测系统
对哈利法塔进行结构健康监测的目的是确定施工期间和使用周期内塔楼的结构性能，监测的内容如下：1）桩基础荷载在土中的传递；2）筏板基础的沉降；3）核心筒内巨柱和外柱的压缩变形；4）施工期间分层加载重力荷载引起的巨柱和核心筒的总应变；5）施工期间和施工完成后塔楼的侧向位移；6）同一位置施工期间塔楼位移和动力特性；7）塔楼使用期间沿高度方向7个位置处的位移、加速度和动力特性；8）沿高度方向风速、风场分布、温度差异和湿度的测量；9）监测塔尖的疲劳性能。


5.1 测量监测系统
在每层楼设置的测量系统由以下部分组成：1）自动爬模系统（ACS），且在其顶部竖杆上安装三个GPS接收天线；2）每个GPS接受天线的下方安装可倾斜的圆形棱镜；3）混凝土顶部安装测量总站仪器(TPS)。
从基础开始每隔20层，将楼层的测量系统和8个测斜仪（莱卡NIVEL 200双轴精确测斜仪）安装在一起，测斜仪安装在中心核心筒区域内。


哈利法塔的测量监测系统（图16）会定期测量建筑的真实位移，所有定期测量都在清早进行，并关闭塔吊。

建立三维有限元分析模型进行分析，见图17。结果表明：基础沉降测量远远比采用PLAXIS软件估算的值低；施工期间柱（墙）的实际总应变值和收缩量与分析值吻合得很好；施工期间侧向位移的测量值和分析值也比较吻合。

5.2 应变测量

测量柱和核心筒单元的总应变需要安装以下设备：1）接在钢筋上的197个电阻式应变计；2）埋在混凝土中的197个电子引伸计——振弦式应变计；3）筏板基础共埋有24个型号为VSM 4200的振弦式应变计、3个接线盒、2个荷载光电管上的接线盒。

由图18可看到测量全楼的所有应变计位置。施工期间的实测应变值和有限元分析值两者吻合得很好。

临时性实时监测系统（图19）包括：1）加速度仪；2）完整的GPS系统；3）测量138层气温、湿度和风速风向的气象站。2008年9月10日，塔楼受到Bandar Abbas 地震的影响。此次地震中，记录了安装监测系统后出现的最大加速度值。

图20是为哈利法塔量身定做的结构健康监测系统，包括：1）在基础顶面安装3对加速度仪用于收集基础加速度；2）在73, 123, 155层混凝土顶部，160M3层，墙肢23A和顶部尖塔顶端安装6对加速度仪，测量塔楼所有层的实时加速度值；3）160M3层安装GPS系统测量结构位移；4）在所有平台层、平面缩进层和828m高的塔尖顶端布置23个超声波风力传感计，测量风速和风向；5）160M3层气象站测量风速、风向、相对湿度和温度。


有限元分析值和监测值的对比结果令人满意。

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