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超高層建筑的結構健康監(jiān)測方案設計

UPTATED:2019/08/09 | 分類:大型結構建筑
聚華科技超高建筑結構健康監(jiān)測
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構設計及其足尺結構健康監(jiān)測體系吧。

1 工程概況

哈利法塔是目前世界上高的建筑(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。
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為保持世界高建筑的地位,鋼結構頂部設置了直徑為1200mm的可活動的中心鋼桅桿(圖2),由底部不斷加長,用油壓設備不斷頂升,其預留高度為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,才確定828m的高度。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。
聚華科技超高建筑結構健康監(jiān)測
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2 建筑幕墻

2.1 幕墻系統(tǒng)概況

聚華科技超高建筑結構健康監(jiān)測

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,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。
聚華光電超高建筑結構健康監(jiān)測
2.3 幕墻金屬支承結構的防雷

為了保證強大的雷電電流能順暢導入地下,首先支承結構的各構件都必須電氣連通,形成建筑表面的防雷網(wǎng)。這一防雷系統(tǒng)必須與主體結構的防雷系統(tǒng)可靠連接,通過主體結構的防雷導線將雷電引入地下。由金屬梁柱構成的防雷網(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。
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3 結構體系和結構布置

3.1 結構體系

哈利法塔采用下部混凝土結構、上部鋼結構的全新結構體系。- 30~601m為鋼筋混凝土剪力墻體系,601~828m為鋼結構,其中601~760m采用帶斜撐的鋼框架。

3.2 結構布置

采用三叉形平面可以取得較大的側向剛度,整個抗側力體系(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。
聚華光電超高建筑結構健康監(jiān)測
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3.3 豎向布置

豎向形狀按建筑設計逐步退臺,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。在豎向布置了七個設備層兼避難層,利用其中的五個設備層做成結構加強層(圖10)。
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4 結構設計 混凝土結構設計按美國規(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)。
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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,只剩直徑為1200mm的桅桿,見圖12,13。
聚華光電超高建筑結構健康監(jiān)測
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采用摩擦樁加筏板聯(lián)合基礎(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。
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5 結構健康監(jiān)測系統(tǒng)

對哈利法塔進行結構健康監(jiān)測的目的是確定施工期間和使用周期內(nèi)塔樓的結構性能,監(jiān)測的內(nèi)容如下:1)樁基礎荷載在土中的傳遞;2)筏板基礎的沉降;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變;5)施工期間和施工完成后塔樓的側向位移;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,并關閉塔吊。
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建立三維有限元分析模型進行分析,見圖17。結果表明:基礎沉降測量遠遠比采用PLAXIS軟件估算的值低;施工期間柱(墻)的實際總應變值和收縮量與分析值吻合得很好;施工期間側向位移的測量值和分析值也比較吻合。

5.2 應變測量

測量柱和核心筒單元的總應變需要安裝以下設備:1)接在鋼筋上的197個電阻式應變計;2)埋在混凝土中的197個電子引伸計——振弦式應變計;3)筏板基礎共埋有24個型號為VSM 4200的振弦式應變計、3個接線盒、2個荷載光電管上的接線盒。
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由圖18可看到測量全樓的所有應變計位置。施工期間的實測應變值和有限元分析值兩者吻合得很好。
結構健康監(jiān)測、光纖傳感、超高建筑,廠家、預警
臨時性實時監(jiān)測系統(tǒng)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)的大加速度值。
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圖20是為哈利法塔量身定做的結構健康監(jiān)測系統(tǒng),包括:1)在基礎頂面安裝3對加速度儀用于收集基礎加速度;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)測量結構位移;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)測值的對比結果令人滿意。

關于結構健康監(jiān)測
結構健康監(jiān)測是指對工程結構實施損傷檢測和識別。 我們這里所說的損傷包括材料特性改變或結構體系的幾何特性發(fā)生改變,以及邊界條件和體系的連續(xù)性,體系的整體連續(xù)性對結構的服役能力有至關重要的作用。 結構健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的結構布置的傳感器陣列的動力響應數(shù)據(jù)來觀察體系隨時間推移產(chǎn)生的變化,損傷敏感特征值的提取并通過數(shù)據(jù)分析來確定結構目前的健康狀態(tài)。對于長期結構健康監(jiān)測,通過數(shù)據(jù)定期更新來估計結構老化和惡劣服役環(huán)境對工程結構是否有能力繼續(xù)實現(xiàn)設計功能。

關于聚華科技
杭州聚華光電科技有限公司(Cavono, Inc.)是一家基于物聯(lián)網(wǎng)光纖傳感器技術從事土木工程結構健康監(jiān)測與預警管理的高新技術企業(yè),聚華是
專業(yè)的光纖光柵傳感器產(chǎn)品提供商和土木工程結構健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質合作伙伴。公司專注于橋梁、隧道、邊坡、基坑、地鐵、礦山、電力等土木工程領域的結構健康監(jiān)測相關產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應用,以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產(chǎn)品、工程結構安全監(jiān)測一站式解決方案見長。主要以光纖光柵傳感器技術、分布式光纖測溫技術、工程安全自動化云計算軟件、工程化專業(yè)領域數(shù)據(jù)分析為技術核心。r786.cn
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