泉州石狮奥力混凝土有限公司

几十层的高楼承重柱最底下的部分为什么不会被压裂?

4
发表时间:2021-07-31 00:38

之所以不被压坏,是因为虽然受力很大,但是混凝土也很结实,不像很多人想的那么脆弱。就好比你去打施瓦辛格,虽然你非常用力,但是无奈施瓦辛格太抗打。

现实生活中压裂的混凝土很少见,所以大家没有什么直观印象。想要压碎混凝土,即使是很小的试件,需要的力也非常大。

这是我为本科生的混凝土课做的测试,ASTM 标准试件,换算成公制单位直径为15厘米,截面积为 0.018 平方米,高度为 30.5 厘米。把这样的一个小试件压成这样,需要施加多大的力呢?

三个试件破坏时候的受力分别为48.62吨、52.97吨、52.24吨

你想过50吨是什么概念吗?一辆 M1 坦克的重量才 54 吨,改装后的 M1A2 重量是 62 吨。也就是说,这个直径15厘米的混凝土小试件,几乎可以承受一辆 M1 坦克那样的重量。

(插句题外话,有同学问 电子秤下垫泡沫就会增重吗?为什么? - 猪小宝的回答 里我自己做的量程60吨的电子秤是干嘛用的,现在您知道了吧?没有这种量程的电子秤,我们怎么知道 52.24 吨这些读数呢?)

这才只是个截面积 0.018 平方米的小试件,如果是一根截面1米乘以1米的方柱子,那么等比例换算,把这样的一根截面积1平方米的混凝土柱子压坏,需要 2500 吨的重量。

那么我们的房子多重呢?普通的混凝土结构的楼面结构,大概每平米1到1.5吨。假设柱子和柱子之间的平均间距是8米,也就是每根柱子的受荷面积大约为64平米,按1.5吨算,每层压到这根柱子上的重量就是1.5乘以64约等于100吨。25层的房子,25乘以100,最底下的柱子承受的重量刚好为2500吨。所以用这样的1米乘以1米的混凝土柱子,差不多可以建造25层的房子。

有读者就说了,问题就来了,你这里算的只能造25层?那为什么那么多高楼都好几十层呢?

方法有两种。**种很简单,加粗柱子,正所谓结构设计三大宝之「肥梁胖柱深基础」。1米乘以1米的可以做25层,如果扩大到2米乘以2米不就可以做100层了。当然,缺点也很明显,柱子太大了,太难看,用的混凝土也太多,既不经济也不环保,浪费了材料也浪费了面积。

第二种方法就是改变混凝土的强度。数量不能改,咱就改质量,用更强的混凝土。现在的试件能承受50吨,如果我用另一种更好的混凝土,同样大小的试件可以承受100吨,这承重能力不就翻倍了么。实际上,混凝土也确实是按照这样的强度等级来卖的,比如我上面这三个试件,买的就是4000 psi(27.58 MPa) 的预拌商品混凝土,如果混凝土真的是完美的 4000 psi,那么破坏荷载应该是51.3 吨。我们实测的结果非常接近这个数值,实测的三个结果折算下来,三个试件的平均值是3998 psi(27.57 MPa),和出厂说明书几乎一模一样。如果你想要做更高的楼,去买更强的混凝土就是了,比如 8000 psi 甚至 10000 psi 的,部分实验室已经开始尝试 18000 psi (124 MPa)的了。

当然这样的高强混凝土也是有很多要注意的问题的。大家做米饭肯定都有体会,米饭的口感,或者说软硬程度直接取决于水和米的比例,水太少就是干饭甚至会糊锅,水太多就变成稀粥了。混凝土也是如此,其性能取决于水和水泥的比例,也就是所谓的水灰比。如果水太多,水泥不够多,那么强度就不行;但反过来,如果水太少,水泥太多,那就又和不开水泥,混凝土就失去流动性,变成了骨料和水泥的固体混合物,根本没法浇筑进模板里。现在你可以买到很多种类的减水剂,本质上是像餐洗净一样的表面活性剂,这样可以在减少水的前提下,不降低混凝土的流动性,从而保证高强混凝土的实现。

另外,低层的柱子为了承受更大的力,尺寸一般也很大,如果柱子的尺寸太大也会带来额外的麻烦。水泥跟水混在一起之后,通过一系列化学反应变成各种硅酸盐的水合物,这才获得了强度。也就是说,刚混起来的水和水泥像一团稀泥一样,过几天就变成非常结实的硬块了,这就是基本完成了这些化学反应。这些化学反应会释放很多热量,如果柱子的截面太大,柱子外围产生的热量能散发出来,柱子里面的热量散发不出来,也就是里面的混凝土比外面的热,热胀冷缩,柱子自己就撑裂了。为了避免这个问题,可以选用专门的低热量水泥,或者添加粉煤灰等添加剂。如果这个问题真的很严重,还可以往混凝土里埋水管,然后循环冷水来给混凝土降温。还有个办法就是用冰水来搅拌混凝土,甚至现在一些混凝土生产商还购置了液氮装置来给搅拌车降温,在浇进模板的时候,从泵车里出来的混凝土温度非常非常低,这样可以显著改善这一问题。

如果这样的高强混凝土还不能满足要求,那就只好祭出钢管混凝土这样的看家利器了。想象一堆砂石,所谓的一盘散沙,几乎不能承受任何重量,一压就塌方了。但是如果把这堆石头和沙子装进一个非常结实的铁桶里呢?铁桶里填满了砂石,一下子就变成了非常结实的一根小柱子。因为铁桶的环箍作用限制了砂石的侧向变形,砂石不能往两边塌方了,所以竖直方向的承重能力大大提高。反过来,如果没有这些砂石,铁桶容易被压弯,但是因为多了里面的这些砂石,对铁桶也起到了支撑作用。或者这样想,如果用沙子灌满一个易拉罐,你还能踩扁这个易拉罐吗?钢管混凝土也是这个道理,把混凝土浇筑进一根钢管里,组成钢管混凝土。钢管环箍住混凝土,大大提高了混凝土的抗压能力,混凝土从里面支撑住钢管,防止钢管的屈曲变形。另外,内部巨大的混凝土体量,一定程度上能改善外面的钢管的防火性能。

大多数高层建筑、超高层建筑,都是用这样的方法来提高竖向承载能力的。也正是因为有了这些技术,我们才能做到几十层、甚至上百层的高层建筑。很多问题,尤其是工程问题,都是说起来容易做起来难。高层建筑的底层承重柱子,看起来简单,其实里面包含着很多很多问题。


李建伟
183-5052-2888
公司地址:福建省泉州市石狮市锦尚镇港前村共富路2229号 邮箱:513353641@qq.com