混凝土極限抗壓強度實驗裏面,用的是直徑10cm高20cm的圓柱體混凝土試料,上下加壓。到達極限強度的時候,試料會沿著一條斜線裂開,這就是結構被破壞。
目前我見過的混凝土試料裏面,比較弱的能抗到20~30t,最強的40+t;內部添加了很多細鋼絲等材料加固的強化混凝土,極限大約是140t。前者破壞時是哢的一聲裂開;後者是巨大的爆炸聲,外帶少量飛散的碎片。
換算一下,假設有一根上下等粗的均勻圓柱體,由混凝土制作,那麽它的極限高度會是2km,超過這個數值,最底下就會被破壞(壓碎);如果換成強化混凝土,極限是7km。
那麽蓋樓的時候需要考慮哪些 內部因素 呢?一棟樓總不可能是實心的柱子吧,極少量的支撐結構要承受全部樓結構、地板和內部裝修的重量,因此不可能達到之前提到的極限高度。通常為了穩定性,高樓可以建成下粗上細的結構,底部不用承受那麽大的壓強;但是高層建築設計不能按照極限走,一定要留出足夠倍數的余量。對於混凝土結構,2~3倍是很正常的——意味著允許的壓強只有材料極限壓強的1/3左右。另外,鋼筋在鋼筋混凝土裏面的作用主要是抗拉(不是抗壓)、抵抗混凝土被破壞時候橫向的形變,差不多可以理解成一種強化方式。當然,這段討論的還只是 靜態 載荷,動態載荷(後面會提到)中鋼筋的作用更大。
外在因素 就主要包括地震、風和地基穩定性之類。目前大部份建築高度在10-100m,這個範圍需要考慮的是地震,也就是抗震。地震會把樓朝各個方向蹂躪,壓力拉力快速交錯,材料稍有破壞就會被迅速放大。比如當年汶川地震,房子倒了一片,經濟損失極大,很多人死亡,就是因為房屋抗震設計不過關。目前大部份結構已經有很成熟的抗震設計規範和方法。
對於跨度很大的橋梁和100m以上的建築,風的影響會非常大。如果你站在上海中心大廈頂層,看環球金融中心,在風大的時候甚至會有肉眼可察覺的搖擺。抗風設計我不太了解,目前更多的是結構整體的設計、風洞試驗、電腦模擬和細小結構外形的調整。
如果樓太高了,地面就撐不住了。這種撐不住不是你坐沙發上沙發陷進去那一瞬間,而是要把那一瞬間放大到100年級別。想象一下一棟大樓,每年下沈幾厘米,持續幾十年的樣子。當然下沈不可怕,可怕的是土地下面不規則,每處下沈的量不一樣。比如萬一大樓北邊下沈了20cm,中間下沈15cm,南邊下沈了25cm,整個樓就會被從中間掰開,嚴重的就塌了……
目前這幾個點只是人類蓋出100+m樓以後慢慢遇到的情況。沒人知道1000+m以上的高樓還會遇到什麽奇葩的問題。很可能遠不止一兩個。
混凝土大約是目前為止人類制造出來的最強的材料了(其實就是人造石頭),如果沒有突破性的材料,10000m大樓是不可能的。
當然還沒考慮這麽高的樓怎麽建造(腳手架?吊車?)、供水供電怎麽辦、電梯怎麽搞、消防怎麽應對……