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(dú)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(shí)，也讓我們深入了解一下哈利法塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jià)為15億美元。工期自2004年9月至 2010年1月。 為保持世界高建筑的地位，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(rèn)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。
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(dāng)于17個(gè)足球場面積。采用單元式幕墻，共有23566個(gè)單元板塊。

幕墻安裝從2007年5月開始，到2009年9月完工，歷時(shí)30個(gè)月。開始一天只能安裝20~30個(gè)單元，每天可達(dá)175個(gè)單元。幕墻總造價(jià)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(gè)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(fēng)幕墻，內(nèi)外幕墻均用索網(wǎng)。兩道幕墻均為圓柱形，豎向?yàn)橹本€，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(qiáng)大的雷電電流能順暢導(dǎo)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(dǎo)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(hù)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(gè)抗側(cè)力體系（圖8，9）是一個(gè)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(dú)立的端柱。 3.3 豎向布置

豎向形狀按建筑設(shè)計(jì)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(fēng)力的變化相適應(yīng)。在豎向布置了七個(gè)設(shè)備層兼避難層，利用其中的五個(gè)設(shè)備層做成結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層（圖10）。 4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按美國規(guī)范 ACI 318-02 進(jìn)行?；炷翉?qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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，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(jìn)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(shí)沉降30mm，工程完工后，實(shí)測沉降為60mm。 5 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)

對哈利法塔進(jìn)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(gè)位置處的位移、加速度和動力特性；8）沿高度方向風(fēng)速、風(fēng)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(gè)GPS接收天線；2）每個(gè)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(gè)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(shí)位移，所有定期測量都在清早進(jìn)行，并關(guān)閉塔吊。
建立三維有限元分析模型進(jìn)行分析，見圖17。結(jié)果表明：基礎(chǔ)沉降測量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比采用PLAXIS軟件估算的值低；施工期間柱（墻）的實(shí)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(gè)電阻式應(yīng)變計(jì)；2）埋在混凝土中的197個(gè)電子引伸計(jì)——振弦式應(yīng)變計(jì)；3）筏板基礎(chǔ)共埋有24個(gè)型號為VSM 4200的振弦式應(yīng)變計(jì)、3個(gè)接線盒、2個(gè)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(jì)位置。施工期間的實(shí)測應(yīng)變值和有限元分析值兩者吻合得很好。 臨時(shí)性實(shí)時(shí)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(fēng)速風(fēng)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。 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(shí)時(shí)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(jìn)層和828m高的塔尖頂端布置23個(gè)超聲波風(fēng)力傳感計(jì)，測量風(fēng)速和風(fēng)向；5）160M3層氣象站測量風(fēng)速、風(fēng)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。

關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是指對工程結(jié)構(gòu)實(shí)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的服役能力有至關(guān)重要的作用。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測涉及到通過分析定期采集的結(jié)構(gòu)布置的傳感器陣列的動力響應(yīng)數(shù)據(jù)來觀察體系隨時(shí)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(jié)構(gòu)目前的健康狀態(tài)。對于長期結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，通過數(shù)據(jù)定期更新來估計(jì)結(jié)構(gòu)老化和惡劣服役環(huán)境對工程結(jié)構(gòu)是否有能力繼續(xù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

關(guān)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(shù)從事土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與預(yù)警管理的高新技術(shù)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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一站式解決方案優(yōu)質(zhì)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(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、推廣與應(yīng)用，以提供野外光纖傳感器自動化監(jiān)測產(chǎn)品、工程結(jié)構(gòu)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(shù)、分布式光纖測溫技術(shù)、工程安全自動化云計(jì)算軟件、工程化專業(yè)領(lǐng)域數(shù)據(jù)分析為技術(shù)核心。www.skhhsst.net