近日，世界第一高樓哈利法塔被閃電擊中，這座備受矚目的建筑以一種獨特的方式再次吸引了世人的眼球。在欣賞哈利法塔頂端這一神奇瞬間的同時，也讓我們深入了解一下哈利法塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其足尺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系吧。
1 工程概況
哈利法塔是目前世界上最高的建筑（圖1），其高度為828m，是一座集酒店、公寓、寫字樓等為一體的綜合性建筑。有效租售樓層162 層，建筑面積526700 m2，塔樓建筑面積344000 m2，總造價為15億美元。工期自2004年9月至 2010年1月。
為保持世界最高建筑的地位，鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置了直徑為1200mm的可活動的中心鋼桅桿（圖2），由底部不斷加長，用油壓設(shè)備不斷頂升，其預(yù)留高度為200m。為此，哈利法塔始終不宣布建筑高度。到2009年底，確認五年內(nèi)世界各國都不可能建成更高的建筑，才最后確定828m的最終高度。塔樓酒店平立面及整體立面圖見圖3，4。2010年1月4日，哈利法塔舉行了開幕式，正式宣布建成。
2 建筑幕墻
2.1 幕墻系統(tǒng)概況
哈利法塔的建筑幕墻（圖5）總面積為13.5萬m2，其中塔樓部分為12萬m2。在塔樓幕墻中，玻璃10.5萬m2，不銹鋼板1.5萬m2，相當于17個足球場面積。采用單元式幕墻，共有23566個單元板塊。
幕墻安裝從2007年5月開始，到2009年9月完工，歷時30個月。開始一天只能安裝20~30個單元，最后最高每天可達175個單元。幕墻總造價約為人民幣8億元，約為6000元/m2。
2.2入口處索網(wǎng)雙層幕墻系統(tǒng)
三個入口處設(shè)入口大廳，周邊均由索網(wǎng)雙層幕墻封閉，分別用于酒店、公寓、寫字樓。為做到透光不透熱，做雙層通風幕墻，內(nèi)外幕墻均用索網(wǎng)。兩道幕墻均為圓柱形，豎向為直線，水平是圓弧。見圖6。
2.3 幕墻金屬支承結(jié)構(gòu)的防雷
為了保證強大的雷電電流能順暢導入地下，首先支承結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件都必須電氣連通，形成建筑表面的防雷網(wǎng)。這一防雷系統(tǒng)必須與主體結(jié)構(gòu)的防雷系統(tǒng)可靠連接，通過主體結(jié)構(gòu)的防雷導線將雷電引入地下。由金屬梁柱構(gòu)成的防雷網(wǎng)，就像“金鐘罩”一樣保護了建筑本身。至今所有遭受雷擊的超高層建筑，幕墻都未受到損壞。哈里法塔在2010年遭受雷擊的照片見圖7。
3 結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置
3.1 結(jié)構(gòu)體系
哈利法塔采用下部混凝土結(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。
3.2 結(jié)構(gòu)布置
采用三叉形平面可以取得較大的側(cè)向剛度，整個抗側(cè)力體系（圖8，9）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，共六道；橫向分戶墻作為縱墻的加勁肋；此外，每翼的端部還有四根獨立的端柱。
3.3 豎向布置
豎向形狀按建筑設(shè)計逐步退臺，退臺要形成優(yōu)美的塔身寬度變化曲線，而且要與風力的變化相適應(yīng)。在豎向布置了七個設(shè)備層兼避難層，利用其中的五個設(shè)備層做成結(jié)構(gòu)加強層（圖10）。
4 結(jié)構(gòu)設(shè)計
混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計按美國規(guī)范 ACI 318-02 進行。混凝土強度等級：127層以下C80；127層以上C60。端柱的厚度取與內(nèi)墻相同，即600mm。標準層層高為3.2m，采用無梁樓板，板厚為300mm（圖11）。
塔樓601m以上是帶交叉斜撐的鋼框架。鋼框架逐步退臺，從第18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，見圖12，13。
采用摩擦樁加筏板聯(lián)合基礎(chǔ)（圖14）。194根現(xiàn)場灌注樁，長度約43m，直徑1500mm。樁尖深度-70m（圖15）。筏板厚度3.75m。對筏板連同樁、周邊土體進行了三維有限元分析，分析表明，基礎(chǔ)長期沉降為80mm，施工到135層時沉降30mm，工程完工后，實測沉降為60mm。
5 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)
對哈利法塔進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的目的是確定施工期間和使用周期內(nèi)塔樓的結(jié)構(gòu)性能，監(jiān)測的內(nèi)容如下：1）樁基礎(chǔ)荷載在土中的傳遞；2）筏板基礎(chǔ)的沉降；3）核心筒內(nèi)巨柱和外柱的壓縮變形；4）施工期間分層加載重力荷載引起的巨柱和核心筒的總應(yīng)變；5）施工期間和施工完成后塔樓的側(cè)向位移；6）同一位置施工期間塔樓位移和動力特性；7）塔樓使用期間沿高度方向7個位置處的位移、加速度和動力特性；8）沿高度方向風速、風場分布、溫度差異和濕度的測量；9）監(jiān)測塔尖的疲勞性能。
5.1 測量監(jiān)測系統(tǒng)
在每層樓設(shè)置的測量系統(tǒng)由以下部分組成：1）自動爬模系統(tǒng)（ACS），且在其頂部豎桿上安裝三個GPS接收天線；2）每個GPS接受天線的下方安裝可傾斜的圓形棱鏡；3）混凝土頂部安裝測量總站儀器(TPS)。
從基礎(chǔ)開始每隔20層，將樓層的測量系統(tǒng)和8個測斜儀（萊卡NIVEL 200雙軸精確測斜儀）安裝在一起，測斜儀安裝在中心核心筒區(qū)域內(nèi)。
哈利法塔的測量監(jiān)測系統(tǒng)（圖16）會定期測量建筑的真實位移，所有定期測量都在清早進行，并關(guān)閉塔吊。
建立三維有限元分析模型進行分析，見圖17。結(jié)果表明：基礎(chǔ)沉降測量遠遠比采用PLAXIS軟件估算的值低；施工期間柱（墻）的實際總應(yīng)變值和收縮量與分析值吻合得很好；施工期間側(cè)向位移的測量值和分析值也比較吻合。
5.2 應(yīng)變測量
測量柱和核心筒單元的總應(yīng)變需要安裝以下設(shè)備：1）接在鋼筋上的197個電阻式應(yīng)變計；2）埋在混凝土中的197個電子引伸計——振弦式應(yīng)變計；3）筏板基礎(chǔ)共埋有24個型號為VSM 4200的振弦式應(yīng)變計、3個接線盒、2個荷載光電管上的接線盒。
由圖18可看到測量全樓的所有應(yīng)變計位置。施工期間的實測應(yīng)變值和有限元分析值兩者吻合得很好。
臨時性實時監(jiān)測系統(tǒng)（圖19）包括：1）加速度儀；2）完整的GPS系統(tǒng)；3）測量138層氣溫、濕度和風速風向的氣象站。2008年9月10日，塔樓受到Bandar Abbas 地震的影響。此次地震中，記錄了安裝監(jiān)測系統(tǒng)后出現(xiàn)的最大加速度值。
圖20是為哈利法塔量身定做的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括：1）在基礎(chǔ)頂面安裝3對加速度儀用于收集基礎(chǔ)加速度；2）在73, 123, 155層混凝土頂部，160M3層，墻肢23A和頂部尖塔頂端安裝6對加速度儀，測量塔樓所有層的實時加速度值；3）160M3層安裝GPS系統(tǒng)測量結(jié)構(gòu)位移；4）在所有平臺層、平面縮進層和828m高的塔尖頂端布置23個超聲波風力傳感計，測量風速和風向；5）160M3層氣象站測量風速、風向、相對濕度和溫度。
有限元分析值和監(jiān)測值的對比結(jié)果令人滿意。
更多內(nèi)容詳見：
《建筑結(jié)構(gòu)》雜志2014年第5期文章《哈利法塔結(jié)構(gòu)性能和響應(yīng)的驗證:足尺結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方案》，作者：Ahmad Abdelrazaq，單位：三星C&T公司高層及復雜建筑部。
《建筑結(jié)構(gòu)•技術(shù)通訊》2013年3期文章《迪拜哈利法塔結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工》，作者：趙西安，單位：中國建筑科學研究院。
