几十层的高楼承重柱最底下的部分为什么不会被压裂？ 猪小宝，博士僧 | 一级注册结构工程师 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。第一种很简单，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。 查看知乎原文
