在至今將近50年的時間裡， CN Tower（加拿大國家通信塔）一直是加拿大多倫多城市天際線的統治者，是有史以來建造的最高的通訊塔之一，塔總高553m（包括天線高度），也是20世紀最偉大的結構工程成就之一。自1976年夏季向公眾開放以來一直是世界上最高的獨立式建築結構，並位居榜首三十多年，直到2007年才被哈利法塔（BurjKhalifa）所超越。
▼CN-Tower（圖片來自網絡，版權歸原作者所有）
儘管其建成至今已近半個世紀，它仍然是目前西半球最高的獨立式建築結構，並且依舊是世界十大最高的獨立結構之一。毫無疑問，CNTower是現代結構工程史上的傑作，但是當您意識到它的設計是完成於半個世紀前的1960年代底和70年代初，是在計算機還沒有被應用於結構設計之前的手算設計時代所完成的，你一定會對它更加印象深刻，這簡直就是結構工程史上的奇蹟。
▼多倫多Downtown湖濱城市天際線（圖片來自網絡，版權歸原作者所有）
CN Tower從設計開始至建造完畢正式投入使用總計耗時9年多近10年的時間，在結構設計和施工中應用了大量創新手段來解決這一項目中所遇到的史無前例的設計和施工等技術層面的挑戰。1995年，該塔被美國土木工程師學會（ASCE）評為世界現代七大奇觀之一。這也是對設計和建造該塔的結構工程師，建築師和施工人員所取得的歷史性成就的高度認可。
如今，CN Tower已經成為多倫多的城市名片、加拿大最著名的地標性建築，也是加拿大結構工程界的驕傲。那麼下面我們就從它的基礎結構一直到其頂部的天線結構對其結構設計和施工建造作一個全方位介紹。
CN Tower的設計背景
儘管今天的多倫多市和大多倫多地區已成為北美乃至世界上最大的都市區之一，位於安大略湖沿岸的多倫多市中心地區摩天大樓林立，但加拿大國家電視塔- CN Tower依然是多倫多市城市天際線的核心。然而，在1960年代開始規劃設計建造CNTower之前，這座城市的外觀看上去與現在完全不同。但正是在6、70年代那段時期，多倫多經歷了巨大的建築熱潮，並且第一批摩天大樓開始在城市周圍出現。
▼60年代末多倫多Downtown湖濱鳥瞰圖（圖片來自網絡，版權歸原作者所有）
▼多倫多Downtown City Hall（圖片來自網絡，版權歸原作者所有）
這些高大的建築物很快就成為當地廣播和電視廣播公司的問題，因為該地區當時現有的發射塔太矮了，無法通過它們進行廣播。解決此問題的方法是建造一個大型通訊塔，該塔能夠不受任何阻擋地在可預見的將來建造的任何新的摩天大樓上方傳輸信號。為此，政府對於擬建的新通訊塔的設計高度作了嚴格的要求，新塔必須要滿足用於轉播電視廣播的UHF發射機的最小高度為338m，而主要用於FM廣播的VHF發射機的高度為460m至540m之間。
因此，CN Tower的結構設計無論是從塔身的結構尺寸和幾何形狀的選型，還是到結構材料和施工方法的確定都必須要嚴格滿足以上政府所規定的最小結構高度要求。毫無疑問，這一要求決定了這座新的通訊塔將成為當時有史以來人類所建造的最高的獨立式建築。另外，這一項目的成功建成將既滿足政府對於多倫多廣播電視的通訊要求，也是一個絕好的機會向世界展示加拿大工業特別是結構工程的實力，因此當時的業主Canadian National（簡稱CN）決定將這座高塔命名為Canadian National Tower (即CN Tower), 並決定此塔的高度必須超過規定的540 m的最低高度要求。
CN Tower最初的設計概念是由平面呈現三角形分布的三個獨立的塔肢組成的類似於三肢空間組合格構柱的形式，但由於三肢空間組合格構柱方案的建築美學和實用效率及結構效率方面的限制，這一方案最終被體形更加優美的鋼筋混凝土三肢束筒方案所取代，塔總高度為553.3m。CN Tower的建造在當時耗資6300萬美元（按今天的價值計算，這筆費用約為3.5億美元）。為了幫助分擔這個巨型項目的一部分成本費用，該設計中還考慮整合了多個旅遊景觀功能使用空間，用以吸引來自世界各地的遊客。其中包括360度旋轉餐廳，空中距離超過350m，還有幾個觀景臺，可欣賞多倫多和安大略湖的壯麗景色。
CN Tower的結構特點
CN Tower的主體結構由一個450m高的鋼筋混凝土三肢束筒體組成，該鋼筋混凝土筒體的平面橫截面為Y形的沿中心對稱的三個由底座至塔頂沿其高度方向逐漸減小的肢筒和匯交於中心的正六邊形的鋼筋混凝土核心通體構成；在鋼筋混凝土束筒的頂部由104m高的鋼製天線桅杆封頂。其中UHF發射器安裝在位於塔筒頂部7層吊艙結構(MainPod)的底部，該吊艙結構包含一個360度的旋轉餐廳，2個觀景臺和其他設施。在混凝土核心筒的頂部還有第二個較小的吊艙，稱為天艙(Sky Pod)，它包含一個觀景臺，而VHF發射器則沿鋼桅杆高度方向均勻布設於位於天艙上方的頂部鋼天線桅杆上。
該塔是由加拿大基建公司（The Foundation Company of Canada）作為施工承建商，與建築師JohnAndrews & Roger Du Toit以及結構工程公司Nicolet Carrier Dressel＆Associates通力合作設計建造而成建造。
CN Tower的基礎設計及施工
CN Tower的結構基礎採用5.5m厚的鋼筋混凝土筏板基礎直接支承於安大略湖邊水平頁巖層構成的堅固基巖地基上。筏板呈中心對稱Y形，Y形筏板的三個翼肢從中心至翼肢邊緣的長度為33.3m，寬為18.9m。筏板翼肢的中心線以及筏板整體的中心點與上部Y形的鋼筋混凝土肢筒的中心線及三肢束筒結構平面重心點完全對應重合。其主要目的是支撐塔的自重以及風引起的傾覆力矩和剪力，並將這些力均勻地分配到基礎下方的基巖。
包括基礎在內，整個結構的自重不到118,000公噸，因此由重力載荷作用於基礎下方基巖上的平均附加壓應力約為575kPa。
如果按傳統的矩形截面等厚筏板基礎設計，由於矩形橫截面混凝土基礎具有沿筏板平面等厚的垂直邊緣及剛度，在與上部結構的共同作用下，由於結構基礎體系的剛度與基巖的剛度不匹配將造成在基礎邊緣的地基反力集中，這將導致基礎底面基巖中的剪切應力在基礎邊緣高度集中。但對於CNTower這樣的項目來說，這種由基礎-地基剛度不匹配而導致的應力集中是不可接受的，因為在巨大的豎向載荷作用下，基礎底面以下的頁巖基巖很容易在基礎邊緣的應力集中處受壓和受剪破壞。而基礎下方基巖巖層沿基礎周邊破裂則可能導致整個塔基礎的逐步破壞和喪失穩定，這將成為整個結構體系的關鍵破壞方式之一。
為了最大限度地緩解這個應力集中問題，結構設計工程師將筏板基礎的邊緣從中部的5.5m厚度逐漸減薄至邊緣的1.2m。筏板厚度的減小也有效地降低了基礎邊緣區域筏板的平面外剛度，使得在上部荷載作用下，基礎的剛度和下部基巖的剛度在變形上更加協調，基礎邊緣區域筏板的剛度的減小也相應地減小了此區域下方基巖中的應力。這樣可確保基礎下方地頁巖基巖的應力水平小於其設計承載力，為結構基礎和上部塔身結構提供穩定的地基支撐條件。
儘管塔體的自重垂直作用在基礎上並產生壓應力，但上部鋼筋混凝土筒體的漸變三角由底部至上的漸變形狀會在每個肢筒中產生沿肢筒豎向軸線的非垂直與基礎平面的集中力，而這一集中力作用於基礎平面上的水平分量將會在基礎平面中產生由中心向每個基礎肢翼外邊緣方向的水平方向拉應力。
因此基礎筏板設計除了要考慮到其作為抵抗豎向荷載及平面外變形而產生的彎矩和剪力，同時還要抵抗由於上述原因而在基礎平面內產生的附加水平方向的拉力，而這種平面內水平拉力是作用於基礎全截面厚度方向的，因此對混凝土這種抗壓強度非常高但抗拉強度較弱的材料，儘管可以通過配設普通鋼筋以抵抗這種基礎平面內的水平拉力，但鋼筋的受拉應變會使得鋼筋混凝土筏板在長期平面內拉力的作用下裂縫開展過度，而不利於結構的承載力及鋼筋混凝土的耐久性，因為地下水會滲透進入裂縫並由於凍融循環和鋼筋腐蝕對筏板基礎造成損壞，隨著時間的推移這一損害將變得日益嚴重且不可逆轉。
而CN Tower的基礎恰恰在地下水位以下，因此這種由筏板內水平力而可能造成的對筏板的不利影響也自然成為CN Tower在基礎設計時的主要被關注點。為解決這一問題，結構設計團隊採用了在基礎筏板平面內布設後張預應力鋼索的方法，通過預應力的效應抵消了這一拉力的不利影響從而降低基礎開裂的可能性。
因此設計要求在澆注混凝土後，將48根高強度預應力索以對稱的三角形的平面布置方式預安裝在筏板內部的預應力索套筒中。每條預應力索由許多單獨的鋼絞線組成，每根鋼絞線由7根抗拉強度為1,862MPa的高強鋼絲組成。在對預應力索進行施工張拉時使用液壓千斤頂將這48根高強度預應力索拉緊，然後錨固到筏板基礎的側邊，從而在鋼筋混凝土筏板平面內提供等效的預壓應力。設計施加在每根預應力索上的最終張拉載荷剛好低於1800 kN，在長期的預應力損失之前，在筏板翼肢截面內的平均預壓縮應力約為6.9kPa。由於混凝土的收縮和徐變以及鋼纜線的鬆弛，一部分初始預應力不可避免地會隨著時間的流逝而損失，但是在設計中已考慮到這一點，以確保基礎截面混凝土始終保持壓縮狀態。
另外，由於基礎的體量關係，在混凝土澆築及固化過程中發生的水化熱反應會在混凝土內部深處積聚大量熱量。為了防止筏板大體積混凝土在硬化及養護過程中由於水化熱不均而導致的開裂，在混凝土中還添加了適量的粉煤灰混凝土混合物以降低混凝土在固化過程中的收縮應變率和水化熱引起的溫度梯度。除此之外，另一個有助於減輕混凝土澆築時水化熱熱量積聚的設計措施是將上部束筒範圍內的基礎設計計為局部空腔的形式，因此在此範圍內，基礎並不是完全5.5m厚的實心筏板，而是內部帶有空腔的，腔體的範圍從基礎的中心延伸到每個翼肢。
這些腔體大約5.3 m寬乘2.3 m高，其中包含錨固點，這些錨固點用於後期在施工過程中對上部鋼筋混凝束筒進行預應力後張拉施工。這樣工人既能夠通過位於基礎頂部的四個直徑為1.8m的人孔進入基礎腔體從腔體內部對上部牆體進行後張預應力的張拉施工，同時也避免了其他仍在上方進行結構施工工作的影響。儘管CN Tower的筏板基礎是局部空心的，但仍然使用了超過7,000立方米的混凝土和450噸的鋼筋，並且花了大約3個月的時間才得以將筏板建造完成。
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