哈利法塔结构性能和响应的验证_足尺结构健康监测方案_AhmadAbdelraza

图1
建成的哈利法塔实景
本文从以下几个方面介绍哈利法塔： 1 ） 结构体 系选型和基础体系选型中的关键因素； 2 ） 结构体系 和基础体系的性能， 这对开展测量和结构健康监测 方案至关重要； 3 ） 实时结构健康监测和测量方案。 对哈利法塔进行结构健康监测的目的是确定在 施工期间和使用年限内塔楼的结构性能 。方案的监 测内容如下： 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 ） 塔楼在施工期 间 同 一 位 置 的 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 ） 沿高度方向的风速、 风场 分布、 温度差异和湿度； 9 ） 顶部小塔楼的疲劳性能。 从方案阶段开始， 上述的深入监测研究和监测方案 就为现场的材料性能、 塔楼的动力特性、 风荷载和地 震激励作用下的结构性能和响应提供了实时反馈 。 还对比讨论了测量得到的响应实测值和预测值 。 结构体系简介 2． 1 结构体系概况 2 哈利法塔的结构体系像一个十字形截面的巨 柱， 反映了建筑的体量和形状， 设计中充分利用结构 概念， 使重力荷载沿着建筑中心向下传递 ， 能够抵抗 地震作用 ） 产生的倾覆力矩。 目 由侧向力（ 风荷载、
88 1 工程概况
2
建
筑
结
构20Leabharlann 4 年哈利法塔（ 图 1 ） 为建筑面积为 46 万 m 的多功 能塔楼， 包括住宅、 酒店、 商业、 办公、 娱乐、 购物、 休 闲和停车设施， 是哈利法塔大型商业区域的中心 。 哈利法塔高度为 828m， 由 162 层上部结构和 3 层地 下室组成， 该塔的中心核心筒外由 3 个“花瓣 ” 围 “花瓣 ” 成， 每个 都由 4 个凸窗组成。 每隔 7 层楼， 每个凸窗都会随着结构向上螺旋而不断剥离转换 。 Y 形建筑每隔 7 层楼收进一次是最初设计理念的一 部分， 且把风工程原理和空气动力学融合到建筑设 计的概念中， 可减小主要的动力风效应。
前大多数塔楼都是靠自重来抵抗侧向水平力引起的 倾覆力矩的。在哈利法塔最早的设计概念中， 对柱 和墙的压缩变形 （ 整体变形和差异变形 ） 问题的处 理方法是合理设计柱和剪力墙， 使它们在重力荷载 作用下产生相等的应力， 而且几乎每隔 21 层就用跃 层墙将柱和墙牢固连接， 以抵抗不同柱间及墙柱间 产生的收缩徐变差异变形， 这也是高层建筑设计的 重要原则。此处不详述哈利法塔的结构和基础设计 然而了解结构和基础体系对选择监测 的发展历程， 设备和测量系统的位置是非常必要的 。 哈利法塔从基础层至 156 层楼面为采用高性能 混凝土的钢筋混凝土结构， 从 156 层楼面到塔楼顶 部均为钢斜撑框架结构。 2． 2 结构体系选型 在哈利法塔结构设计中包含以下策略目标： 1 ） 选择并优化塔楼结构体系的强度、 刚度、 经济效益、 冗余度和施工速度； 2 ） 充分利用当地最先进的结构 材料技术、 劳动力和施工方法； 3 ） 优化抗重力结构 体系， 最大限度地利用其在抵抗侧向力时的作用 ， 同 时要与奢华住宅和酒店塔楼的建筑风格相协调； 4 ） 在分析、 设计和施工中应用最新的方法； 5 ） 将建筑 位移（ 侧向位移、 加速度、 扭转速度等 ） 限制在国际 设计规范或标准许可的范围内； 6 ） 控制竖向构件间 的相对位移； 7 ） 通过改变结构特性， 提高动力性能 并防止由漩涡脱落引起的锁定振动， 以此来控制风 。 荷载作用下塔楼的动力响应 2． 2． 1 抗侧力体系 哈利法塔抗侧力体系由高性能钢筋混凝土核心 筒组成， 核心筒通过设备层里的钢筋混凝土剪力墙 4 。 核心筒墙 板与外部钢筋混凝土柱连接， 见图 2 ， 厚度沿高度从 1 300mm 缩减到 500mm。 核心筒在 每层通过一系列高达 800 ～ 1 100mm 的钢筋混凝土 深梁或组合连梁连接。 由于受到高度的限制， 在核 心筒体系某些部位采用了组合连梁 。这些组合连梁 钢骨一般采用带抗剪栓钉的受剪钢板或工字钢 。连 梁宽度一般和邻近的核心筒厚度相同 。 中心核心筒顶部为塔尖， 从 156 层楼面至离地 面 750m 处抗侧力体系为钢支撑框架结构。 钢桅杆 为钢管结构， 其截面尺寸从底部的 2 100 × 60 减小 到顶部（ 828m） 的 1 200 × 30 。 2． 2． 2 重力荷载分配和结构体系优化 超高层建筑的抗风性能是最重要的设计标准之 一。重力荷载的分配对哈利法塔整体效率和性能有 重要且直接的影响。 在初步设计阶段， 重力荷载的 分配需要融合建筑创意和结构设计概念 。混凝土结
Validating the structural behavior and response of Burj Khalifa： Full scale structural health monitoring programs Ahmad Abdelrazaq
（ Highrise ＆ Complex Building，Samsung C＆T，Seoul，Korea） Abstract： A new generation of tall and complex buildings reflects the latest developments in materials， design， sustainability，construction，and IT technologies． While complicaed design can be managed through advances in structural analysis tools and software， ultimately the design of these buildings still relies on minimum code requirements that are yet to be validated in full scale． The involvement of the author in the design and construction of Burj Khalifa from inception until completion prompted the author to develop an extensive survey and realtime structural health monitoring program to validate the assumptions made during the development of the design and construction planning of the tower． At 828m，Burj Khalifa s tallest manmade structure， composed of 162 floors above grade and 3 basement levels． A brief description of is the world’ the structural and foundation system of the tower was provided and the development of the survey and realtime structural health monitoring programs （ SHMP ） was discussed． Correlation between the predicted and actual measured structural behavior was also discussed，however，because of confidentiality the actual measured data cannot be disclosed at this time． The SHM included： 1 ） monitoring the tower’ s foundation system； 2 ） monitoring the foundation settlement； 3 ） measuring the column / wall strains and shortening during and after construction； 4 ） real time measuring of the tower lateral displacement and dynamic characteristics during construction； 5 ） measuring the building lateral movement under lateral loads （ wind， seismic ） during construction； 6 ） measuring the building displacements， accelerations， dynamic characteristics，and structural behavior during service life； 7 ） monitoring the pinnacle dynamic behavior and fatigue characteristics． While the SHMP developed for Burj Khalifa is a futuristic model at the time of its development，this field is constantly evolving and a new generation of SHM systems will emerge that uses the latest technological advances in devices and IT technologies． Keywords： Burj Khalifa； structural health monitoring （ SHM ） system； global positioning system （ GPS ） ； real time monitoring； column shortening； tiltmeter； wind engineering management； gravity load management