建筑结构丨干货!西半球最高独立式建筑——553米高加拿大国家通讯塔CNTower结构详解

来源: | 发布时间:2021-01-11 22:32

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建筑结构丨干货!西半球最高独立式建筑——553米高加拿大国家通讯塔CN Tower结构详解

建筑结构 建筑结构 2020-06-22


来源:胡正宇结构视点,作者:胡正宇。


编者按:在之前的公众号文章中,我断断续续介绍了好些个经典结构工程项目,有个朋友后台留言说你既然在加拿大,为什么不介绍一下加拿大的经典地标CN Tower?正合我意,其实早就想写了。那么本周我就来详细聊一聊CN Tower的结构设计及施工特点。需要特别说明的是:以下文中所涉及的所有项目相关资料及图片均收集整理自互联网,相应版权均归图片所有者所有。本文亦并非学术性论文,仅为供各位读者茶余饭后阅读消遣的一般介绍性科普文章,所以尽管作者已对相关资料作了仔细证,错漏之处难免,敬请各位见谅。【另:本文有点长,建议先快速浏览如觉得有兴趣再进一步细读】


前言


在至今将近50年的时间里, CN Tower(加拿大国家通信塔)一直是加拿大多伦多城市天际线的统治者,是有史以来建造的最高的通讯塔之一,塔总高553m(包括天线高度),也是20世纪最伟大的结构工程成就之一。自1976年夏季向公众开放以来一直是世界上最高的独立式建筑结构,并位居榜首三十多年,直到2007年才被哈利法塔(BurjKhalifa)所超越。

▼CN-Tower(图片来自网络,版权归原作者所有)


尽管其建成至今已近半个世纪,它仍然是目前西半球最高的独立式建筑结构,并且依旧是世界十大最高的独立结构之一。毫无疑问,CNTower是现代结构工程史上的杰作,但是当您意识到它的设计是完成于半个世纪前的1960年代底和70年代初,是在计算机还没有被应用于结构设计之前的手算设计时代所完成的,你一定会对它更加印象深刻,这简直就是结构工程史上的奇迹。

▼多伦多Downtown湖滨城市天际线(图片来自网络,版权归原作者所有)


CN Tower从设计开始至建造完毕正式投入使用总计耗时9年多近10年的时间,在结构设计和施工中应用了大量创新手段来解决这一项目中所遇到的史无前例的设计和施工等技术层面的挑战。1995年,该塔被美国土木工程师学会(ASCE)评为世界现代七大奇观之一。这也是对设计和建造该塔的结构工程师,建筑师和施工人员所取得的历史性成就的高度认可。



如今,CN Tower已经成为多伦多的城市名片、加拿大最著名的地标性建筑,也是加拿大结构工程界的骄傲。那么下面我们就从它的基础结构一直到其顶部的天线结构对其结构设计和施工建造作一个全方位介绍。


 

CN Tower的设计背景


尽管今天的多伦多市和大多伦多地区已成为北美乃至世界上最大的都市区之一,位于安大略湖沿岸的多伦多市中心地区摩天大楼林立,但加拿大国家电视塔- CN Tower依然是多伦多市城市天际线的核心。然而,在1960年代开始规划设计建造CNTower之前,这座城市的外观看上去与现在完全不同。但正是在670年代那段时期,多伦多经历了巨大的建筑热潮,并且第一批摩天大楼开始在城市周围出现。

60年代末多伦多Downtown湖滨鸟瞰图(图片来自网络,版权归原作者所有

▼多伦多Downtown City Hall(图片来自网络,版权归原作者所有)


这些高大的建筑物很快就成为当地广播和电视广播公司的问题,因为该地区当时现有的发射塔太矮了,无法通过它们进行广播。解决此问题的方法是建造一个大型通讯塔,该塔能够不受任何阻挡地在可预见的将来建造的任何新的摩天大楼上方传输信号。为此,政府对于拟建的新通讯塔的设计高度作了严格的要求,新塔必须要满足用于转播电视广播的UHF发射机的最小高度为338m,而主要用于FM广播的VHF发射机的高度为460m540m之间。



因此,CN Tower的结构设计无论是从塔身的结构尺寸和几何形状的选型,还是到结构材料和施工方法的确定都必须要严格满足以上政府所规定的最小结构高度要求。毫无疑问,这一要求决定了这座新的通讯塔将成为当时有史以来人类所建造的最高的独立式建筑。另外,这一项目的成功建成将既满足政府对于多伦多广播电视的通讯要求,也是一个绝好的机会向世界展示加拿大工业特别是结构工程的实力,因此当时的业主Canadian National(简称CN)决定将这座高塔命名为Canadian National Tower (CN Tower), 并决定此塔的高度必须超过规定的540 m的最低高度要求。CN Tower最初的设计概念是由平面呈现三角形分布的三个独立的塔肢组成的类似于三肢空间组合格构柱的形式,但由于三肢空间组合格构柱方案的建筑美学和实用效率及结构效率方面的限制,这一方案最终被体形更加优美的钢筋混凝土三肢束筒方案所取代,塔总高度为553.3mCN Tower的建造在当时耗资6300万美元(按今天的价值计算,这笔费用约为3.5亿美元)。为了帮助分担这个巨型项目的一部分成本费用,该设计中还考虑整合了多个旅游景观功能使用空间,用以吸引来自世界各地的游客。其中包括360度旋转餐厅,空中距离超过350m,还有几个观景台,可欣赏多伦多和安大略湖的壮丽景色。


 

CN Tower的结构特点

 

CN Tower的主体结构由一个450m高的钢筋混凝土三肢束筒体组成,该钢筋混凝土筒体的平面横截面为Y形的沿中心对称的三个由底座至塔顶沿其高度方向逐渐减小的肢筒和汇交于中心的正六边形的钢筋混凝土核心通体构成;在钢筋混凝土束筒的顶部由104m高的钢制天线桅杆封顶。其中UHF发射器安装在位于塔筒顶部7层吊舱结构(MainPod)的底部,该吊舱结构包含一个360度的旋转餐厅,2个观景台和其他设施。在混凝土核心筒的顶部还有第二个较小的吊舱,称为天舱(Sky Pod),它包含一个观景台,而VHF发射器则沿钢桅杆高度方向均匀布设于位于天舱上方的顶部钢天线桅杆上。

 


该塔是由加拿大基建公司(The Foundation Company of Canada)作为施工承建商,与建筑师JohnAndrews & Roger Du Toit以及结构工程公司Nicolet Carrier DresselAssociates通力合作设计建造而成建造。


 

CN Tower的基础设计及施工

 

CN Tower的结构基础采用5.5m厚的钢筋混凝土筏板基础直接支承于安大略湖边水平页岩层构成的坚固基岩地基上。筏板呈中心对称Y形,Y形筏板的三个翼肢从中心至翼肢边缘的长度为33.3m,宽为18.9m。筏板翼肢的中心线以及筏板整体的中心点与上部Y形的钢筋混凝土肢筒的中心线及三肢束筒结构平面重心点完全对应重合。其主要目的是支撑塔的自重以及风引起的倾覆力矩和剪力,并将这些力均匀地分配到基础下方的基岩。



包括基础在内,整个结构的自重不到118,000公吨,因此由重力载荷作用于基础下方基岩上的平均附加压应力约为575kPa



如果按传统的矩形截面等厚筏板基础设计,由于矩形横截面混凝土基础具有沿筏板平面等厚的垂直边缘及刚度,在与上部结构的共同作用下,由于结构基础体系的刚度与基岩的刚度不匹配将造成在基础边缘的地基反力集中,这将导致基础底面基岩中的剪切应力在基础边缘高度集中。但对于CNTower这样的项目来说,这种由基础-地基刚度不匹配而导致的应力集中是不可接受的,因为在巨大的竖向载荷作用下,基础底面以下的页岩基岩很容易在基础边缘的应力集中处受压和受剪破坏。而基础下方基岩岩层沿基础周边破裂则可能导致整个塔基础的逐步破坏和丧失稳定,这将成为整个结构体系的关键破坏方式之一。

为了最大限度地缓解这个应力集中问题,结构设计工程师将筏板基础的边缘从中部的5.5m厚度逐渐减薄至边缘的1.2m。筏板厚度的减小也有效地降低了基础边缘区域筏板的平面外刚度,使得在上部荷载作用下,基础的刚度和下部基岩的刚度在变形上更加协调,基础边缘区域筏板的刚度的减小也相应地减小了此区域下方基岩中的应力。这样可确保基础下方地页岩基岩的应力水平小于其设计承载力,为结构基础和上部塔身结构提供稳定的地基支承条件。



尽管塔体的自重垂直作用在基础上并产生压应力,但上部钢筋混凝土筒体的渐变三角由底部至上的渐变形状会在每个肢筒中产生沿肢筒竖向轴线的非垂直与基础平面的集中力,而这一集中力作用于基础平面上的水平分量将会在基础平面中产生由中心向每个基础肢翼外边缘方向的水平方向拉应力。



因此基础筏板设计除了要考虑到其作为抵抗竖向荷载及平面外变形而产生的弯矩和剪力,同时还要抵抗由于上述原因而在基础平面内产生的附加水平方向的拉力,而这种平面内水平拉力是作用于基础全截面厚度方向的,因此对混凝土这种抗压强度非常高但抗拉强度较弱的材料,尽管可以通过配设普通钢筋以抵抗这种基础平面内的水平拉力,但钢筋的受拉应变会使得钢筋混凝土筏板在长期平面内拉力的作用下裂缝开展过度,而不利于结构的承载力及钢筋混凝土的耐久性,因为地下水会渗透进入裂缝并由于冻融循环和钢筋腐蚀对筏板基础造成损坏,随着时间的推移这一损害将变得日益严重且不可逆转。而CN Tower的基础恰恰在地下水位以下,因此这种由筏板内水平力而可能造成的对筏板的不利影响也自然成为CN Tower在基础设计时的主要被关注点。为解决这一问题,结构设计团队采用了在基础筏板平面内布设后张预应力钢索的方法,通过预应力的效应抵消了这一拉力的不利影响从而降低基础开裂的可能性。



因此设计要求在浇注混凝土后,将48根高强度预应力索以对称的三角形的平面布置方式预安装在筏板内部的预应力索套筒中。每条预应力索由许多单独的钢绞线组成,每根钢绞线由7根抗拉强度为1,862MPa的高强钢丝组成。在对预应力索进行施工张拉时使用液压千斤顶将这48根高强度预应力索拉紧,然后锚固到筏板基础的侧边,从而在钢筋混凝土筏板平面内提供等效的预压应力。设计施加在每根预应力索上的最终张拉载荷刚好低于1800 kN,在长期的预应力损失之前,在筏板翼肢截面内的平均预压缩应力约为6.9kPa。由于混凝土的收缩和徐变以及钢缆线的松弛,一部分初始预应力不可避免地会随着时间的流逝而损失,但是在设计中已考虑到这一点,以确保基础截面混凝土始终保持压缩状态。

另外,由于基础的体量关系,在混凝土浇筑及固化过程中发生的水化热反应会在混凝土内部深处积聚大量热量。为了防止筏板大体积混凝土在硬化及养护过程中由于水化热不均而导致的开裂,在混凝土中还添加了适量的粉煤灰混凝土混合物以降低混凝土在固化过程中的收缩应变率和水化热引起的温度梯度。除此之外,另一个有助于减轻混凝土浇筑时水化热热量积聚的设计措施是将上部束筒范围内的基础设计计为局部空腔的形式,因此在此范围内,基础并不是完全5.5m厚的实心筏板,而是内部带有空腔的,腔体的范围从基础的中心延伸到每个翼肢。



这些腔体大约5.3 m宽乘2.3 m高,其中包含锚固点,这些锚固点用于后期在施工过程中对上部钢筋混凝束筒进行预应力后张拉施工。这样工人既能够通过位于基础顶部的四个直径为1.8m的人孔进入基础腔体从腔体内部对上部墙体进行后张预应力的张拉施工,同时也避免了其他仍在上方进行结构施工工作的影响。尽管CN Tower的筏板基础是局部空心的,但仍然使用了超过7,000立方米的混凝土和450吨的钢筋,并且花了大约3个月的时间才得以将筏板建造完成。
 

CN Tower塔身的结构设计及施工特点

 

CN Tower的地上主体结构为钢筋混凝土三肢束筒结构体系。位于束筒中心的核心筒是一个空心棱柱状正六边形筒体,三个电梯竖井从棱柱外伸出,电梯竖井的玻璃立面朝外。在电梯竖井之间,三个由底部至顶部渐收的“肢筒”自中心核心筒向外延伸,肢筒的平面肢长从塔顶到底部逐渐增大。在基础顶面,通过肢筒外沿的外切圆的直径约54m。沿高度方向肢长渐减的肢筒(TaperedLegs)向上延伸到342m的高度,该高度与主吊舱结构的底部重合;电梯竖井在该标高上方继续延伸至大约382m的高度。中央六角形核心筒是唯一跨越整个钢筋混凝土筒体全高度的结构组件,它延伸到支腿和外部电梯之上,达到450m的高度。



构成混凝土束筒钢筋混凝土墙体的厚度范围从不到0.45m1.5m,并且除三个肢筒最外沿的翼墙外,其它墙体都是竖直垂直于底部首层楼面的,唯一的例外是受力最大的用于供整个结构体系侧向和竖向稳定的三个肢筒最外沿的翼墙,翼墙的墙体沿着塔身高度方向由底至顶逐渐内收。



而肢筒的肢长即翼墙沿高度方向的内收曲率也是经过结构设计精心优化的,使得肢筒的翼墙曲率能够以最少的材料承载重力和风荷载,以提高结构效率。翼墙沿高度方向的内收曲线的形状有点类似于大树的树干或倒立的悬垂冰棱柱或,这是在重力作用下符合物理规律的自然最优曲线。而描述此最优曲率的方程式可以根据材料特性和施加的载荷从数学上导出(如下图所示)。该方程式可用于任何既高又不受拉索支撑的独立式塔架,并且总会得出比直立柱体更经济的设计。



对于CN Tower来说,沿高度渐变的肢筒及翼墙体系不仅使得结构更加经济高效,而且也是确保结构稳定所必须的关键结构部件。由于塔体太高,如果采用直上直下的混凝土柱状筒体,其筒体底部墙体需要将墙厚及混凝土强度增加到不切实际的程度,否则底部墙体会因自身重量和侧向风力导致的倾覆弯矩而被压碎。理想情况下,位于结构中心的混凝土核心筒应采用圆形横截面以实现最佳效率,但是设计人员希望塔楼具有面向外的玻璃电梯井筒,以便游客在上下时都能看到室外。因此才最终导致了具有Y型对称三肢形态的中心为正六边形棱柱形状核心筒和三个对称渐变的肢筒组成的三肢束筒结构体系。尽管牺牲了部分核心筒的效率,但这种形状还解决了许多涉及空气动力学、结构的整体和局部屈曲以及后张预应力施工的问题。

从抗侧力的角度来看,CN Tower中所采用的钢筋混凝土三肢束筒结构体系实际上可看作是固定在基础上的垂直悬臂结构体系,因此除了竖向重力荷载外,它还承担着很大的侧向风荷载。由于塔楼的高度很高,且迎风面的宽度沿着筒体高度方向向上渐减,因此作用在塔身的侧向风压在塔身的大部分高度上基本上呈线性分布,并且风载是按照不小于400km/h的阵风来确定(这样的阵风风速已大于地球上有记录以来的最高风速),因此塔身的设计风荷载是相当保守的。



为更好的理解结构在风作用下的响应以确保结构在风荷载作用下的设计万无一失,在结构设计阶段,结构设计团队对该结构在位于西安大略大学的边界层风洞实验室对风的作用和响应进行了为期6年的详细研究。在这里,使用了1450比例的气动弹性模型,通过位移,旋转和加速度数据来确定塔体的各个结构组件上的载荷。



另外还通过风洞试验研究了结构的整体气动响应,并将风洞试验结果用于两个位于塔楼顶部钢制天线桅杆上的被动调谐质量阻尼器(TMD)的设计。尽管风洞试验的结果并未显示出在侧向风荷载下塔楼的任何过度位移和风致振动,但出于对结构抗风设计的安全度和提高塔楼顶部天线桅杆设计的可靠性和性能的考虑,最终设计时还是将顶部的天线桅杆设置了两个阻尼器。



200 km/h的持续风和320 km/h阵风作用下,塔身混凝土筒体的顶部的摆动幅度为约0.5m,而塔顶天线的顶部的摆动幅度可达到1m。当塔身受到风荷载或地震作用等任何侧向载荷作用时,悬臂塔身结构内会产生剪切应力和弯曲应力,其中最大的弯矩和剪切力位于底部基座处。当塔身悬臂筒体在侧向荷载作用下发生侧向弯曲时,其受力一侧将承受拉应力,而另一侧将承受压应力。正如我们已经在前文塔楼基础设计时讨论的那样,为了避免塔身筒体在侧向力作用下的受拉侧所产生的拉力而导致的混凝土开裂,设计对核心筒和肢筒墙体采取了后张预应力措施使得肢体墙体水平截面承受除自身重力导致的压应力外,还承受由预应力而产生的附加预压应力用以抵消由侧向倾覆弯矩导致的拉应力。该预应力措施在筒体整个横截面上施加了均匀的预压缩应力,因此筒体在建成后将保持完全预应力状态,并且在50年一遇的风荷载作用下筒体的受拉侧翼墙中不会产生任何拉应力。如果风荷载大于50年一遇的风载,则筒体的受拉翼墙会受到部分拉应力,并且在迎风面上可能会出现微小裂缝,但这种微小裂缝的宽度被设计在可控的范围内因此不会损害塔身混凝土筒体的结构的安全及耐久性。


 

CN Tower筒体塔身混凝土施工


三肢钢筋混凝土成束筒塔身采用滑模技术通过液压千斤顶上连续爬升浇筑施工。随着结构高度的抬升,滑模的壁也不断进行调整,以使结构塔肢端翼墙由下至上不断收缩。为了将建筑材料和施工设备运送到施工中的核心筒顶部,在中心核心筒的内部建造了爬升式塔式起重机,使得施工起吊高度与钢筋混凝土束筒的抬升同步。建造三肢钢筋混凝土成束筒塔身总共使用了将近29,000立方米的混凝土和3600公吨的钢筋,而在工作人员一天24小时不间断地施工的前提下,滑模混凝土筒体成型过程总共花了8个月的时间。


在滑模施工施工三肢钢筋混凝土成束筒塔身的过程中,筒体塔身的竖直度得到了极其严格的控制。对建成结构的测量结果显示,完工后的钢筋混凝土束筒塔身的顶部中心仅偏离铅垂理论中心点约28毫米,即仅1英寸多些。考虑到450m高的混凝土塔身高度,这样的施工垂直度的施工误差仅相当于不足万分之一(0.0062%)的垂直偏差!即使是放在今天,这也是一个不可思议的精确施工,更何况CN-Tower筒体的施工是在没有任何电子及激光测量监控设备的1973年。因此这样的施工精度是非常令人惊叹的。

 

CN Tower筒体塔身后张预应力的设计及施工

 

对塔身筒体墙体的后张预应力系统由144条高强度预应力钢索组成,这些预应力钢索被安装在预埋在混凝土墙身中的垂直套筒中。每根预应力钢索包含1631条单独的钢绞线,就像在基础中所使用的预应力钢绞线一样,每根钢绞线由7根高强钢丝组成,钢丝的抗拉强度为1,862MPa。位于中心核心筒墙体内的高强度预应力钢索长450m,从顶部一直延伸到基础,而由于肢筒墙体的高度比核心筒墙体的高度要低,因此位于肢筒墙体中的高强度预应力钢索的长度较核心筒墙体中的预应力索相比要短。筒体墙体中的预应力钢索的顶端固定在筒体墙体的顶部,而底端则固定在底部基础腔体的顶板中。



塔身筒体墙体中的大多数预应力索是采用用液压千斤顶从底部张拉的。并且根据每根预应力索中的钢绞线的数量对每根预应力索施加1,800kN3500kN之间的有效预应力。垂直后张拉技术在1970年代建造CN Tower时还是相对较新的施工工法,因此结构设计工程师很难在实际施工之前准确预测预应力损失以及可施工性等问题,特别是在体量规模如此巨大的项目中。为了解决这个问题,设计在筒体墙体中安装了额外的预应力索套管和后张预应力索,并随着施工张拉的进度不断监测和调整预应力张拉的水平。具体在设计中,对每10条预应力索即提供了两个备用预应力套管,另外对每个预应力索的套管设计为稍大尺寸的套管,因此每根预应力索中的钢绞线数最多可以增加20%。



尽管用来安装预应力索的套管由刚性螺旋波纹钢管制成,但由于在施工时对套筒造成的物理损伤或由于湿混凝土掉入套管内部,许多套管的管道在施工过程中凹陷变形或堵塞;另外由于后张预应力的施工过程中的制动和液压千斤顶和钢绞线间的滑动,许多钢绞线在施加到目标预应力之前或丢失或折断。到张拉完成时,大多数额外设置的备用预应力套管已被使用。总共使用了近129公里长,重762公吨的预应力索对塔身筒体进行了后张预应力施工,从而提供了总计约365MN预压力。



在所有预应力索张拉完成后,混凝土筒体的结构施工也就完成了,下一步即是进行顶部主吊舱的施工。


CN Tower主吊仓(Main Pod)的设计及施工

 

顶部主吊舱共有七个主要楼层,如该塔中心位置的横截面所示,其结构体系由钢框架支撑的混凝土楼板组成。由低至高第一层是UHF发射机所在的位置,悬挂在吊舱下方,被涂有特氟龙的玻璃纤维天线罩,天线罩通过充气以保持其形状。天线罩可保护广播设备免受强风和结冰的影响,而且不会干扰任何信号,并且还可提高吊舱的整体空气动力学性能。主吊舱2层和3楼设有双观景台,向游客开放,设有落地窗,室外露台和安装在水泥地面上的玻璃板,可欣赏城市美景。主吊舱的第4层包含一个旋转餐厅,该餐厅带有环形转盘,可围绕圆周旋转360度。转盘位于局部环状错台的混凝土楼板上,当旋转餐厅的环形转盘地板在外部移动时,旋转的地板可以与固定部分结构楼面保持齐平。用餐区位于移动的环形转盘地板上,转盘每72分钟围绕塔的中心轴线旋转一圈,在此期间就餐的游客可以欣赏到多伦多和安大略湖的360度全景。主吊舱第567层禁止访客进入,第5层用于安放UHF广播设备,第6层用于安放VHF广播设备,第7层用于安装塔的通用机械设备。主吊舱上方在混凝土核心筒内部还有几个附加层,这些附加层用于电梯设备机房以及抽水和存储生活用水的功能区间。



主吊舱的结构钢框架在主塔核心筒的外围形成一个12面的多边形,整个结构由安装在核心筒外的12个三角形的钢筋混凝土牛腿墙体支壁(BracketWalls)支撑。这些三角形牛腿支壁与主吊舱的钢框架对齐,并以放射状排列。



这些三角形牛腿支壁还暴露在塔身即主吊仓的外部,如果您在塔底向上看,则可以看到它们。



在主吊舱的第二层将三角形牛腿支壁与楼板整体浇铸,并在二层楼板外边缘和牛腿支壁交接处设置环状预应力钢筋混凝土环梁并将环梁于二层楼板整体浇筑。圆环梁通将三角形牛腿支壁通过环向压力作用牢牢地支托在核心筒的侧壁上,从而提供了沿着环梁的径向水平约束,就像金属带缠绕在桶的木板上一样。这样可以消除三角形牛腿支壁上沿混凝土墙体中的拉应力,否则在三角形牛腿支壁上沿会因悬臂支架上吊舱的重量而产生拉应力。



环状预应力钢筋混凝土环梁中的后张预应力系统由12条高强度预应力钢索组成,这些预应力钢索围绕核心筒中心同心排列,每根预应力钢索均含有49根钢绞线。每条预应力钢索围绕环梁的梁跨度为180度,并且每30度错开一圈,因此环梁的每个截面都含有6条预应力钢索。所有预应力钢索端部都锚定在梁的内部,并顺序进行后张,以确保所产生预压应力的对称。大约890kN的有效预应力被施加到每条预应力索上,相当于在环形梁内任何给定截面处总预压力为5,340kN


 

主吊舱的建造从核心筒底部的地面开始,在那里为三角形混凝土牛腿支壁墙体建造了混凝土模板。然后用钢和木材建造了六个独立的组件,并将用于三角形混凝土牛腿支壁墙体的内部钢筋放置在模板内部。核心筒顶部构造了一个大型钢冠,用于使用液压千斤顶将模板提升到塔架的外部。提升主吊舱三角形混凝土牛腿支壁墙体模板的工作总共花了5天,组件每天上升68m,最终达最终预设的342m的设计高度。



模板提升到位后,将模板与钢桁架系统绑在一起,以支模浇筑三角形混凝土牛腿支壁墙体。接下来是在三角形混凝土牛腿支壁墙体顶部支模浇筑主吊舱第二层楼板和环形梁,从而完成了主吊舱的“基础”结构。完成主吊舱第二层楼板和环形梁混凝土的浇筑后将整个模板组件降低约15 m,然后将其用作吊舱下方安装其余建筑组件的工作平台,全部施工完成后再拆解并放回地面。


主吊舱第二层楼板和环形预应力混凝土梁全部施工完成后,一支钢结构施工小组在浇筑完毕的主吊舱第二层楼板和环形梁这一基础平台上,安装了上部5层的主吊舱钢结构主框架,该框架形成了上层建筑的骨架。CN Tower主吊舱的所有钢结构施工安装工作均由Canron完成,对工人来说,这是极其危险的任务,他们常常被困在悬臂梁上,没有任何防坠落保护。尽管缺乏适当的安全标准,但他们仍采取了一些行之有效的安全措施,并且在施工期间未报告因高空坠落造成的死亡。



CN Tower天仓(SkyPod)的设计及施工特点

 

随着主吊舱的工作继续进行,上部的SkyPod同时在钢筋混凝土核心筒顶部下方建造,高度为447m,位于主吊舱顶上方约80m。它由围绕在钢筋混凝土核心筒的圆形混凝土牛腿 (Corbel) 环梁支撑SkyPod明显小于主吊舱,只有一个水平观察台由玻璃面板包围,但它是西半球最高的观测平台,在世界前五名之中。在天气晴朗时,客人可以体验最远距离达160公里的视视野,可以看到尼亚加拉大瀑布和安大略湖另一侧的纽约州。


 

CN Tower钢天线桅杆的设计及施工特点

 

SkyPod上方,钢制天线桅杆在钢筋混凝土核心筒的顶部又进一步向上延伸了104 m,在天线桅杆的顶部达到了刚刚超过553m的高度。天线桅杆由固定在竖井中的巨大钢座支撑,由39个高强度钢桅杆段(称为罐头)组成,每个桅杆段的高度在1-6m之间。



这些桅杆段是空心的,具有五边形的横截面,它们的尺寸随着天线高度的增加截面相应地减小,从而形成一个95 m高的桅杆,其底部的宽度为3.7m,顶部的宽度为0.6m。顶部是一个9m的较小部分,由空心方形横截面桅杆段构成,桅杆钢结构重达272公吨。


VHF发射器以5组为一组一直安装在天线外部,与五边形空心横截面桅杆段各侧面开洞洞口对齐,并用轻钢框架固定在适当的位置。VHF信号转换器(VHFTransmitter)的电缆穿过桅杆侧面洞口进入桅杆部向下延伸至塔架,占据了空心桅杆内的大部分空间。天线还装有各种警示灯,2个被动调谐质量阻尼器(TMD)和最顶部的避雷针,这些避雷针通过贯穿塔架整个高度的铜带将闪电放电引至地面。



为了保护附着在天线桅杆上的广播设备并防止钢结构桅杆在冬天低温时外部裹冰,整个桅杆天线的外围被设计成用一层封闭的玻璃纤维增强的塑料蒙皮天线罩(Radome)完全封闭,该玻璃纤维塑料蒙皮由许多带有可伸缩的弹性性接头的独立面板组成。该包裹桅杆的塑料蒙皮天线罩类似于在主吊舱结构底部的UHF发射器周围安装的天线罩类似,之所以选择塑料材料时因为其不会干扰无线电信号。



在施工桅杆时,根据整体项目的进度要求,在塔架顶部安装天线桅杆的工期很紧,因此最终导致决定使用直升机来吊装这些顶部的多边形空心横截面钢桅杆段。为此,项目当时花费了23万美元(相当于今天的100万美元)租用了一个Sikorsky型的空中起吊直升机(SkyCrane)对桅杆段的现场安装,最终使整个工期减少和大约5个月。空中起吊直升机到达现场后,首先使用该直升机从混凝土塔架顶部中心的核心内部卸下附着在混凝土筒壁上的爬升式塔吊,然后由直升机从最重的(约7吨)天线桅杆段开始起吊,由重到轻,逐级逐段起吊,总共进行了56次飞行方完成所有钢桅杆段的吊装工作。



这些多边形空心横截面钢天线桅杆段由Canron制造和安装,所有分段在正式吊装施工前几个月就已在地面上完成了预组装,以确保最大程度地减少正式吊装时现场的对准问题。由于采用直升机能够比传统塔吊提升装置更高效进行各桅杆段的起吊安装,因此在各桅杆段空中就位时,一组工人先以临时安装螺栓对各桅杆段进行临时连结固定,然后由后续工人对固定就位的各桅杆段连结节点的螺栓进行全面的安装。所以整个天线桅杆段的高空对接及节点的螺栓连结工作进行得极其顺利。整个天线桅杆段的连结大约安装了30,0001英寸直径的螺栓,每个螺栓都由工人采用扭转力矩扳手逐一进行安装和测试。整个螺栓安装工作由两组螺栓安装工人每周7天每天换班两次不间断地进行。197542日,CN Tower的天线桅杆的最顶段完成安装,并录得553.3m的官方高度测量值,使得该塔于当日起正式成为世界上最高的独立式结构。


 
在完成主体结构包括钢天线桅杆段的结构安装后,各种电子组件和塑料天线罩在后续依次完成安装。天线完成后,下方的主吊舱又进行了大约一年的工作,直到结构最终完成。塔架于1976626日正式宣布投入使用,距最初开始设计近十年时间。从那天起,CN-Tower一直被誉为加拿大的标志性建筑。它不仅是加拿大结构工程建设行业的骄傲,而且在世界范围内被公认为是令人钦佩的超出其所属时代的现代工程和建造壮举,每年吸引着有超过150万人来此参观。时至今日,作为一座通讯塔,CN Tower目前仍然为超过16个电视台和广播电台提供信号传输服务。

 

结论和启示


CN Tower是一个令人敬畏的建筑,是现代结构工程史上的一个壮举。其傲立于多伦多的天际线的最高端已将近50年并将继续统治着多伦多的城市天际线,因为它的预期设计寿命为300年。CN Tower的建成及存在毫无疑问是20世纪最伟大的工程成就之一,同时也凝结并代表了加拿大结构工程设计及建设水平在历史上所达到的高度,一直以来,它所采用的创新的三肢束筒结构体系以及预应力Self-Centering的设计措施不断地激发着众多的后代结构工程师们的创造灵感,对现代超高层结构体系有着举足轻重的影响,无论是从已建成的现世界最高建筑BurjKhalifa塔还是在建的世界最高建筑(预计)JeddahTower的结构体系中,你都不难发现CN Tower的影子。


参考文献及资料:
1. How the CN Tower was Built | Engineering & Construction - By Art of Engineering
2. CN Tower - To the Top - Construction - Documentary


作者:胡正宇,英国皇家结构工程师学会(IStructE)资深会士(Fellow),加拿大安省分会主席(Chairman of IStructE Ontario Division),现持有英国皇家注册结构工程师、加拿大ON/AB/BC省注册工程师 Professional Engineer (P.Eng.)、BC省特别指定结构工程师 Designated Structural Engineer (Struct.Eng.) 以及中国一级注册结构工程师等诸多国家和地区的顶级结构工程设计从业资质。胡正宇先生目前还是美国土木工程师协会正式会员(M.ASCE),并兼任英国皇家结构工程师学会皇家注册结构工程师考试阅卷考官(Marking Examiner of IStructE Chartered Membership Exam)。胡先生拥有超过二十年国际工程设计经验,精通从超高层到大跨度等各种结构类型的设计及项目管理。现为加拿大国家钢结构设计规范(CSA-S16)技术委员会委员,也是中国现行构筑物抗震规范GB50191-2012主要起草人之一。



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