摘 要 ：迪拜哈利法塔高度達(dá)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601m 的高度，創(chuàng)造了一個新的奇跡。
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(qiáng)度混凝土
1、工程概況
迪拜哈利法塔是目前世界上最高的建筑，由美國SOM公司設(shè)計，工程總承包單位為韓國三星，我國江蘇 南通六建集團(tuán)公司承包土建施工，幕墻分別由香港遠(yuǎn)東、上海力進(jìn)、陜西恒遠(yuǎn)三家公司承包。自2004年9 月至 2010年1月?？偣て跒?325d，用工2200萬工時，總造價為15億美元。建筑總高度為828m ；混凝土結(jié)構(gòu)高度為601 m；基 礎(chǔ)底面埋深為30 m ；樁尖深度 為70 m ；全部混凝土用量為330000m，總用鋼量為104000t(高強(qiáng)鋼筋為65000t，型鋼為39000 t)。總建筑面積為526700m；塔樓建筑面積為344000m：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；62層 以上為傳播、電信、設(shè)備用樓層，一直到206層；頂部570 m 是鋼桅桿。

3、風(fēng)洞試驗
為了給主體結(jié)構(gòu)設(shè)計和幕墻設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)，進(jìn)行了40次以上的風(fēng)洞試驗。風(fēng)洞試驗在加拿大安大略RW DI邊界層風(fēng)洞進(jìn)行。風(fēng)洞尺寸為2.4 m x1.9 m 和4.9 mx2.4m。分別進(jìn)行了剛性模型的力平衡試驗和彈性模型的多自由度試驗。按50年一遇的風(fēng)力，做了風(fēng)壓分布、風(fēng)環(huán)境、風(fēng)氣候等方面的研究。模型測點為1140個。風(fēng)環(huán)境試驗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個主風(fēng)向：3個翼尖方向 和3個凹入方向，試驗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-5.5 kPa，最大正風(fēng)壓為+3.5 kPa。

4 、結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置
4.1 結(jié)構(gòu)體系
全鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)，適合于超高層建筑”，這是2O世紀(jì)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，48m)、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，492 m)、上海中心(2014年，632m)，深圳平安保險(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；到鋼桅桿頂點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結(jié)構(gòu)布置
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。同時對稱的平面可保持平面形狀簡單。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)向剛度和抗扭剛中心筒的抗扭作用可模擬為一個封閉的空心軸，由3個翼上的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豎向布置
豎向形狀按建筑設(shè)計逐步退臺，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，同時也避免了墻、柱截面突然變化給施工帶來的困難。全高21個退臺要形成優(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)計在豎向布置了7個設(shè)備層兼避難層，每個設(shè)層占二三個標(biāo)準(zhǔn)層。利用其中的5個設(shè)備層做成結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。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)計和結(jié)構(gòu)分析
5.1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè) 計
混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計按美國規(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。C 80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)計時盡量考慮構(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，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。

5.2鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計
601 m 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l8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)計的，它可從下面接長，不斷頂升（類似塔吊的原理），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(jìn)行設(shè)計。
5.3結(jié)構(gòu)分析
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個殼元、75000個節(jié)點。分析參數(shù)如下。(1)風(fēng)力：50年一遇，55 m／s，風(fēng)壓按風(fēng)洞試驗取值；(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5O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。這個位移值低于通用的標(biāo)準(zhǔn)，符合設(shè)計的要求。動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)計有作用。

6長期荷載分析和施工過程分析
6.1超高建筑豎向荷載的時間和過程效應(yīng)
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情 況。因為長期過程，即與時間相關(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施工過程分析
施工全過程分成15個階段，采用三維模型進(jìn)行分析，同時也考慮了收縮和徐變。每個模型都代表施工過程的一個時間點，施加當(dāng)時所增加的新荷載。到施工結(jié)束，分析還延續(xù)到50年后。
6.3補(bǔ)償技術(shù)
施工過程中兩個方向的平移應(yīng)根據(jù)計算結(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豎向縮短
結(jié)構(gòu)豎向壓縮每層平均為4mm，整座建筑的頂點為650mm。這個縮段通過每層標(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地基和基礎(chǔ)
采用摩擦樁加筏板聯(lián)合基礎(chǔ)。
7.1地基
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250～350 kPa。
7.2樁
194根現(xiàn)場灌注樁．長度約43m，直徑為1500mm。樁的設(shè)計承載力為3000t?，F(xiàn)場進(jìn)行了壓樁試驗，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％，硫為0.6％。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筏板
筏板厚度為3.75m，采用C50自密實混凝土(SCC)，添加40％粉煤灰，水灰比為0.34。在現(xiàn)場進(jìn)行了坍落度和流動性試驗。鋼筋間距雙向為300mm，但在每一個方向每隔10根鋼筋取消1根鋼筋．形成600mm x600mm 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層時沉降為30mm.工程完工后，實測沉降為60mm。
8、施 工
8.1混凝土配合 比
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80 M Pa(127層 以下)和60MPa(127層以上)，C80混凝土的彈性模量為44000MPa?；炷吝€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5O攝氏度以上，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混凝土的超高度泵送
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)到這個空前高度的最大困難是混凝土的配合比設(shè)計。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，泵送壓力與送到600m高度的壓力相同。試驗確認(rèn)了泵送600m高度的可行性，并實測了摩擦系數(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，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模板和混凝土澆筑
整個基礎(chǔ)筏板混凝土接近45000m，按中心部分和3個翼板分成4段澆筑，每段相隔24h。上部結(jié)構(gòu)的墻體用自升式模板系統(tǒng)施工，端柱則采用鋼模施工．無梁樓板用壓型鋼板作為模板。首先澆筑中心筒及其周邊樓板，然后澆筑翼墻及相關(guān)樓板，最后是端柱和附近樓板。

8.4施工監(jiān)測
本工程高達(dá)828m．施工測量控制成為突出的問題?，F(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。
迪拜哈利法塔以828m的超高度，52萬平米的巨大建筑面積，給我們提供了豐富的設(shè)計和施工經(jīng)驗。隨著國內(nèi)632m的上海中心、680m的深圳平安保險大廈等一批600m以上建筑即將設(shè)計施工，我國的高層建筑技術(shù)將會提高到一個新的水平。