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多图预警!原来经典的埃菲尔铁塔结构是这么设计出来的

2020
04/14
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maqingfen

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建筑界
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【摘要】埃菲尔铁塔是法国著名的地标性建筑,作为一座高300m的人造塔,在建成后的40年内都雄踞当时世界最高建筑的榜首。那么,300m高的埃菲尔铁塔结构设计有哪些精妙之处呢?跟着本文学习一下。

  埃菲尔铁塔是法国桥梁工程师和金属结构专家古斯塔夫·埃菲尔(Gustave Eiffel)为纪念1889年法国大革命100周年而设计建造的。这是一座在近代结构工程史上由一个理解并欣赏裸露的结构之美并将其作为建筑的一种表达形式的天才结构工程师所设计创造并施工完成的一个真正的时代杰作和工程奇迹。它的设计和建造施工在当时展示了许多超越其所属时代的精妙的创新和技巧,埃菲尔铁塔的设计建造震惊了世界。铁塔是一座300m高的人造塔,它从1889年开始,雄踞当时世界最高建筑榜首40年,直至1930年才被后续建成的纽约克莱斯勒大厦(the Chrysler Building in New York)所超越。

  ▼ 埃菲尔铁塔 (图片来自网络)

埃菲尔铁塔

  在设计铁塔的结构体系时,埃菲尔借鉴了其桥梁工程设计的经验,创造性地采用了复合拱和空间桁架结构体系作为铁塔的主要结构体系,来抵抗竖向力(重力)和侧向力荷载(包括风力)的作用。这一体系代表了当时的建筑结构工程领域最为先进高效的结构体系。他的设计研究结果引发了土木工程和建筑设计的一场革命。今天我们就先从结构设计的角度来推敲一下埃菲尔铁塔的结构设计中的精妙之处。

  铁塔结构的几何体形与材料(GEOMETRY AND MATERIALS)

  埃菲尔铁塔完全由锻铁【编者注:锻铁不同于铸铁,锻铁的含碳量比铸铁低很多,具有比铸铁更高的强度和韧性】制成,尽管钢材在当时已经被发明,但埃菲尔之所以仍然选择锻铁作为建造铁塔的主要材料,一方面是因为钢材在当时还是一项新的技术,产量较小质量也较不稳定,而且钢材在当时价格非常昂贵,难以满足项目的建造经费预算要求;另一方面也是因为埃菲尔他本人对锻铁设计经验丰富且充满信心。因此,埃菲尔铁塔项目所采用的超过7,000吨的锻铁是埃菲尔在当时的冶金工业技术水平条件下所采用的既能够提供铁塔所需的材料强度,又兼顾可模制性及材料的耐久性,并为当时的经济预算所负担得起的唯一可行的建造铁塔结构的材料。

  按经典高塔结构设计理念来讲,高塔的结构设计可以大致按两种不同的类型进行设计:第一种是将结构设计为主要抵抗重力荷载的“重力柱”的概念去设计;而另一种是将结构设计为主要抵抗侧向风荷载的“悬臂柱”的概念去设计。这两种设计概念可以简单地通过以下原则进行区分。

  1. 当主受力构件中由重力荷载和风荷载共同作用产生的轴向力和仅仅由竖向重力荷载作用产生的轴向力的比率小于4/3时,高塔结构可以按照“重力柱”的概念去设计;

  2. 而当主受力构件中由重力荷载和风荷载共同作用产生的轴向力和仅仅由竖向重力荷载作用产生的轴向力的比率大于4/3时,高塔结构则应按照“悬臂柱”的概念去设计;

  而由竖向重力载荷在主受力构件中产生的轴力和由风载荷在主受力构件中产生的轴力的比率,则是用于确定结构设计对风载荷的考虑程度的一项重要指标。一般来说,在进行详细分析设计之前的概念设计阶段,主体结构在满足重力荷载的前提下,可以承受因侧向风荷载而导致的33%的超载应力比DCR(也就是所谓的4/3系数法则)。也就是说,判断是按“重力柱”还是按“悬臂柱”的概念去设计的一个重要条件就是看由风荷载在主受力构件中产生的轴向力(或应力)是否达到由重力荷载在主受力构件中的产生的轴向力(或应力)的三分之一。如果满足此要求,则可以将结构简单地按“重力柱”的概念去设计,因为由侧向风荷载产生的超载效应(overstress)将被材料的抗力安全系数所“吸收”。此即为经典的允许应力设计思路。

  通过对埃菲尔铁塔的结构进行分析后发现:由重力荷载和风荷载共同作用下在主受力构件中产生的轴向力与由风荷载在主受力构件中的产生的轴向力的比值为1.34,仅比4/3高0.01。这个比率完美地证明了埃菲尔铁塔抵抗风荷载的效率。但是,在判断铁塔是按“重力柱”还是按“悬臂柱”的概念去设计时,也会产生一些误导。如果将铁塔的底部收窄,则以上比率将会明显提高,因为铁塔支腿的侧向抗风力矩减小,支腿中由侧向风载作用产生地轴向压力会大大增加。(例如,将其宽度改为现有宽度的一半的话,由风荷载在主受力构件中产生的轴向力与由重力荷载在主受力构件中的产生的轴向力的比值将增加一倍,由重力荷载和风荷载共同作用下在主受力构件中产生的轴向力与由风荷载在主受力构件中的产生的轴向力的比率将达到1.7,远大于4/3。也就是说如果铁塔的基座宽度减小一半的话,要么铁塔需要大幅度地增加上部结构的整体的重量去降低这个比率,要么需要为设计出更大更强壮的支腿去抵抗侧向风力的作用,这两种方法中的任何一种都是低效和不经济的。)可见,埃菲尔铁塔的结构几何造型,尤其其底部支座的支腿的倾斜角度和间距,是经过精心计算设计比选后所达到的经济性最优,结构效率最高的造型。

  ▼ 埃菲尔铁塔的支座 (图片来自网络)

埃菲尔铁塔的支座

  作为视觉比较,你可能会想到华盛顿纪念碑(Washington Monument),它的高度是艾菲尔铁塔的一半(H =〜500ft),但重量却是艾菲尔铁塔的四倍!对于华盛顿纪念碑,上述比率为1.08 (即华盛顿纪念碑通过大幅度地提高结构的自重以满足按“重力柱“概念设计的条件,结构效率非常低),远小于4/3。因此从结构几何形态对抗风效率的角度来看,华盛顿纪念碑远没有艾菲尔铁塔来的高效。

  ▼ 华盛顿纪念碑 (图片来自网络)

华盛顿纪念碑

  尽管如此,当人们介绍艾菲尔铁塔的结构形式时,还是经常将其作为一种典型的悬臂结构形式来进行介绍。这是因为铁塔的几何造型(尤其是在其底部支座处,四个巨型斜向支腿向外展开的造型)向人们展示了一个完美的最为高效的竖向悬臂结构形式。尽管华盛顿纪念碑的底部也是比顶部宽,但其形状不如埃菲尔铁塔的形状理想。人们应该意识到,两座塔的总体结构特征是相似的,但是由于载荷和结构形态的差异,纪念碑更好地说明了“重力柱“的结构形式,而塔则更好地展现了悬臂的结构形态,尽管他们都是按照“重力柱”的概念去设计的。


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