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我们大多数人都听说过意大利著名的比萨斜塔。不幸的是,对于那座塔的建造者来说,地基下的土壤不是坚实的地面或基岩,所以建筑物开始下沉。由于石头结构的巨大重量和占地面积小,它在建造的后期阶段出现了轻微的倾斜。
比萨斜塔不是用来倾斜的。然而,541英尺高的蒙特利尔塔,其45度的倾斜使其成为世界上最高的倾斜建筑,是故意倾斜的。当一栋建筑沉降和倾斜,而建筑系统的设计不能适应沉降或倾斜,这对业主或开发商来说可能是有问题的。
建造独立的比萨斜塔是为了敲响钟声,宣布邻近的比萨大教堂即将举行的教堂仪式。它是该市大教堂广场上建造的最高、最重的建筑——低侧高186英尺3英寸,高侧185英尺11英寸,底部有8英尺宽的墙,重量为16000短吨。
这座塔在12世纪的建造过程中开始倾斜,并在14世纪完工时变得更糟。到1990年,倾斜达到了5.5度(https://bbc.in/3qVwsWZ)。该结构在1993年至2001年期间稳定下来,倾斜度减少到3.97度。
比萨斜塔的建造者不可能像今天的工程师那样有基础系统设计的知识或经验,所以他们的工作可能不太了解土壤类型,各种土壤的承载能力,也不太了解建筑物的重量与土壤类型和不同基础系统的设计之间的关系。
为什么建筑物会倾斜?
一般来说,高层建筑结构的倾斜是由于建筑物的巨大重量压在建筑物基础下的地面上,导致建筑物沉降到土壤中。当土壤密度不均匀时,或者如果基础基础分布不均匀,沉降可能更多地向一侧或另一侧倾斜,导致建筑物倾斜。
如果建筑物下的地面不是基岩,或者如果桥墩基础没有一直延伸到基岩,建筑物下的土壤不是均匀的土壤密度,或者如果土壤中有有机物,断层线或土壤类型从基础的一侧到另一侧的变化,这可能导致建筑物基础的不均匀沉降。
建筑物越高越重,地基沉降的可能性越大;建筑物的高度越高,这种倾斜就越明显。当建筑物倾斜时,上坡分支坡度增大,下坡分支坡度变平或减小,如图1所示。
建筑物的沉降、倾斜或倾斜是一个古老的问题;许多古老的塔楼都有严重的倾斜问题。许多较老、较高、倾斜的建筑都是沉重的石塔,用作瞭望台、教堂尖塔、钟楼或钟楼。然而,他们在这些高塔上没有管道,所以在现代没有太多的倾斜建筑的问题。
在某些情况下,建筑物的倾斜度是以建筑物顶部垂直方向的英寸或毫米偏移量来测量的。另一种方法是测量从垂直方向的倾斜程度。有时基岩很深,结构工程师会选择设计结构垫基或桥墩基础,在桥墩上钻一系列足够深的洞,在这些洞中,土壤与桥墩墙壁的摩擦足以抵抗建筑物从上面向下推的重量,并具有一定的安全系数。
自从旧金山地震以来,我们了解到这座城市许多地方的土壤都变成了液体。当我们看到海湾地区的许多建筑因土壤而倒塌时,我们都熟悉了液化这个词。
这是在地震地区或土壤质量差的地区建造建筑物时应该考虑的问题。基岩可能非常深,在基岩上建立基础会增加基础的成本,而基础的设计是为了支撑一座沉重的建筑物。
下面列出了一些著名的倾斜建筑:
建筑物名称(国家)建成年份与垂直方向的偏移度(高度)
虎山塔(中国)公元960年3.0(44米)
博洛尼亚双塔,短(意大利)公元1119年4.0(47米)
博洛尼亚双塔,高(意大利)公元1119年1.3(95米)
比萨斜塔(意大利)公元1370年3.97(56米)
Bad Frankenhausen教堂塔(德国)公元1382年4.8(55米)
苏尔胡森教堂塔(德国)公元1450年5.19(27米)
涅维扬斯克塔(俄罗斯)公元1732年3.0(57米)
大本钟钟塔(英国伦敦)公元1858年0.26(90米)
千禧塔(美国旧金山)2016公元0.00316(176米,590英尺)
这份名单上的大多数老建筑都是钟楼、钟楼、教堂尖塔或没有室内管道的瞭望塔。
学习如何影响管道系统?
如果建筑物开始倾斜,并且排水管向内部废物堆倾斜,那么堆一侧的倾斜排水管分支将看到坡度增加,而堆另一侧的倾斜排水管分支将看到坡度减少。取决于几个因素,包括初始坡度和其他变量,导致排水问题的倾斜程度可能会有所不同。当高楼倾斜时,可能会导致管道排水问题。
在现代建筑中,稍微倾斜一点就能影响污水在倾斜排水管中的流动。沉降排水管会产生剪应力,使管道穿墙破裂;它们还可能导致管道失去斜率或出现反斜率。
旧金山的千禧塔有很多关于其倾斜状况的报道。据报道,一座590英尺高的建筑的倾斜度为22英寸,换算出来,这座塔的倾斜度为0.0033度。与比萨斜塔相比,它并不那么重要,但据报道,它足以影响排水沟中的废物流动。
使用数学模型,我们可以计算出安装在规范要求的最小坡度上的理论排水管会发生什么。然后我们可以减去与倾斜建筑相关的坡度减少量,并将信息输入曼宁公式,看看它是否以负的方式影响流速。
使用曼宁公式计算一个3英寸或4英寸的分支排水管,安装在每英尺的最小坡度为1/8英寸的地方,它等于0.0104%的坡度,或大约1%的坡度。如果建筑物倾斜0.0033度,我们将从安装的最小倾斜度(或代码规定的最小倾斜度)中减去倾斜度,从而得到最终的斜率。如果我们使用代码最小值,则在扣除倾斜度后得到的斜率将是0.0071%。
然后我们可以把斜率和其他变量一起代入曼宁公式,并确定流速是否足够。
明渠和排水管断面平均流速流量采用曼宁公式计算:
v = (kn/n) Rh2/3 S1/2
地点:
横截面平均速度(ft/s, m/s)
kn = 1.486英制单位,1.0国际单位制单位
n =曼宁粗糙度系数;铸铁大约是0.012
Rh =液压半径(ft, m)
S =管道斜率或坡度(ft/ft, m/m)
在公式中,我们将输入以下数字:
n = 0.012 =铸铁CI或球墨铸铁DI,新。(塑料管或不锈钢管的n值可能稍好一些,但在需要防火的高层建筑中,塑料管有很多考虑因素。塑料管也有噪音问题,符合标准的不锈钢管在较小程度上也有噪音问题ASME A112.3.1。不锈钢排水系统,用于卫生DWV,风暴和真空应用,地上和地下。)
Rh = 4英寸CI管= 0.33英尺
S = 1/8英寸/英尺最小= 0.0104%(从最小坡度减去0.0031%,输入得到的坡度值为0.0071%坡度。)
液压半径可表示为
Rh = A/Pw
地点:
A =流动截面积(ft)2, m)
Pw =湿周长(ft, m)
斜管中以立方英尺/秒为单位的流量可用以下公式求解:
Q = A x V
地点:
Q =以立方英尺每秒为单位的流量,可以换算成加仑每分钟。
A =水流截面积(ft, m)(卫生排水管的设计流量不超过半满,以防止疏水阀虹吸。)
V =由曼宁公式计算的流速
为了纠正倾斜建筑物的坡度损失,我们将从管道的原始坡度中减去倾斜的百分比。假设根据管道规范安装时的最小斜率为0.0104,减去由于建筑物的沉降或倾斜造成的倾斜,它将是0.0033%,从而得到0.0071%的斜率。
如果将0.0073%的斜率代入曼宁公式,得到的速度将略低于2英尺/秒,并且允许固体从悬浮液中脱落。低于2英尺/秒的速度不足以起到良好的冲刷作用,并且会促进固体沉降到排水管的底部。
当然,这只是一个计算。我没有检查建筑、实际安装的管道坡度、管道材料、管道内部的条件和粗糙度或管道直径,但物理定律和变量可以随着坡度的变化而确定和更新。如果坡度发生变化,管道系统的性能也会发生变化,这些都可以进行细化和计算。
倾斜如何影响排水管道运输?
当建筑物倾斜时,排水沟的坡度也会改变。排水沟的坡度影响着排水沟的流速和流量以及排水沟输送固体废物的能力。采用曼宁公式计算斜排水沟,确定斜排水沟流速;另一个公式可以用来确定以加仑/分钟为单位的流量,基于半满的排水管。
为了使固体在流动的排水管中保持悬浮状态,计算排水管中的最小流速是很重要的。如果排水管太平坦,那么废水流动的速度可能低于2英尺/秒,这将太低,无法保持固体悬浮和冲刷作用。
曼宁公式用于计算倾斜排水管的流速,然后我们将给定管道尺寸,粗糙度系数和坡度转换为以加仑/分钟为单位的体积,以保持最小流速。该公式是各种管道尺寸和最小斜度的卫生排水规范和卫生排水管不超过满流量一半的夹具单元值的基础。
如果排水管流得太满,那么空气可能无法通过排水管的顶部,产生正负压,可能会吹出或虹吸固定陷阱。
如果排水管安装得太平,流速就会太低,固体就会从悬浮液中掉出来,沉淀在水平排水管的底部。这就造成了一种情况,随着时间的推移,排水管会堵塞,并且需要不断地清理排水管。
低流量装置使问题复杂化
当你考虑到与新的超低流量(ULF)装置相关的流量减少时,在加利福尼亚,为了节约用水,冲洗用水量不超过1.28加仑/次,很可能在一些地区,一些长水平运行的排水管配置会随着管道坡度的减少而性能不佳。
在过去,管道设备标准要求抽水马桶冲洗40英尺的分支排水管道的固体。今天,通过节水工作和ULF装置,正确的排水管运输和一次冲洗清理分支排水管是非常困难的。因此,夹具分支中所有固体的40英尺排水管运输被从夹具标准性能测试中删除,因为后续夹具的使用将有助于将固体移到排水管中。
当没有后续使用或有很少使用的固定装置或只有几个管道固定装置的长水平运行时,排水管堵塞更容易发生。在一些极端情况下,工程师可能会考虑在供水管道上安装电磁阀,偶尔将水通过气隙冲洗到轮毂排水管中,定期冲洗关键的水平分支,防止固体沉降到分支排水管中,造成不卫生的状况。
夹具的使用、长度、尺寸和水平分支线的坡度以及足够冲洗和节水所需的流量都应由设计工程师考虑。
排水管应该用专业的排水管清洗机清洗。下水道清洁化学品不应该用于清理堵塞的排水管,因为化学品会对工人和建筑物居住者造成危害。此外,化学物质可能会损坏排水管,并且需要非常昂贵的维修费用来更换水平排水管和烟囱。
当地基沉降时,较高的建筑物比较矮的建筑物在顶部移动更多。例如:给定一个底部宽100英尺,高100英尺的建筑物,该建筑物将类似于一个立方体。如果基础只在一侧向下沉降1英寸,理论上,如果高度与宽度相同,则建筑物的顶部将向沉降发生的方向倾斜1英寸。
或者,假设一座底部宽100英尺,高500英尺的建筑物,那么该建筑物的高宽比将为5:1。如果地基只在一侧向下沉降1英寸,那么建筑物的顶部在100英尺的高度上只会倾斜1英寸。在500英尺的高度,建筑物的移动或倾斜幅度是原来的五倍,但两座建筑物的坡度是相同的。
当然,这是一个简单的解释,沉降可以是动态的,在多个方向上发生。如果沉降是均匀的,或者即使建筑物仍然是垂直的,它也会下沉。可能会有很少甚至没有倾斜,但沉降会在外墙穿孔处产生剪切力和应力,可能会切断公用设施或损坏基础墙的密封,使地下水渗入穿过地下室墙壁的管道周围。
在第2部分中,我们将讨论建筑物下土壤沉降的案例研究以及作用于基础墙附近管道的剪力。