人类建筑物的极限高度是多少? 

2014-12-08 22:15 发布

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建筑高度受到很多因素的限制,其中最根本的一个可以说是材料的力学性能,其它的因素还包括竖向交通、防火、给排水等等。

建筑物的极限高度是多少?我们不妨先看看自然界类似的例子。

假设一棵树一直在生长,各种条件都非常好,那么它的极限高度是多少呢?它可以无限长高吗?

假设树干截面积是 A,抗压强度是 σ,重度是 γ。当高度达到 h 的时候,全部树干的体积是面积乘以高度,而全部树干的重量是体积乘以重度。也就是说,。

而树干底部要能够承受全部的重力,否则,树干底部就被压坏了。树干底部最多能承受多少重力呢?抗压强度乘以面积,也就是 。

令 ,我们就得到了极限状态的表达式,也就是 。

当树干自身的重力达到了树干自身截面的最大承载力的时候,树的生长就达到了极限高度。如果高度继续增加,自身的重力就能够把自身压坏。这个极限高度的数值,与截面的大小无关,只跟抗压强度和自身重度有关。



对于建筑结构来说,同样如此。

常见的钢筋混凝土来说,最普通的C30混凝土,名义强度30MPa,重度大约为25kN/m3,那么极限高度为:


对于建筑钢材,强度大约300MPa,重度大约78kN/m3,极限高度为:

很容易发现,这两个理论上的极限高度远远超过现在高层建筑结构的普遍高度,当然,这只是最最简化的计算,仅仅只考虑了竖向抗压承载力。实际上,很多高层的混凝土强度已经用到了100MPa甚至更高。

如果用钛合金,强度大约900MPa,重度44kN/m3,极限高度达到了:

注意到,钛合金的强度是钢材的3倍,而重度只是钢材的一半多一点,所以钛合金的极限高度是钢材的接近6倍。这也就是我们所说的结构性能的「轻质高强」。


高层结构的设计施工是一个非常复杂的问题,抗风、抗震、地基基础都是大问题,抗侧力体系的设计至关重要。但这些的前提,是竖向承载力满足,材料性能满足。

就像科幻小说里说的那样,也许将来会有反重力材料,也许将来能源变得无比的便宜,我们可以用好多大直升机永远的提着建筑物,甚至建筑物不用落地,直接悬浮在空中。在这之前,建筑物的高度还是受制于材料性能的限制,最大的限制之一就是材料抗压强度和自身重度的比值。

(以上内容来源于知乎,作者猪小宝。)

目前,位于迪拜的高828m的哈利法塔一直保持着世界最高建筑的记录,但这一纪录也将要被刷新。沙特拟建造高度超过1000m的王国塔,该项目现已开始施工,预计将于2018年完工,建成后将成为世界最高建筑,高度约为1007m,比哈利法塔高将近180m。

这真是要朝着人类建筑物极限高度发展的节奏啊,让我们拭目以待吧......

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