埃菲爾鐵塔的設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上埃菲爾鐵塔工程管理1001班印宇彤埃菲爾鐵塔（：La Tour Eiffel）是一座于1889年建成位于法國巴黎上的鏤空結(jié)構(gòu)鐵塔，高300米，天線高24米，總高324米。埃菲爾鐵塔得名于設(shè)計它的工程師。鐵塔設(shè)計新穎獨(dú)特，是建筑史上的技術(shù)杰作，因而成為法國和巴黎的一個重要景點(diǎn)和突出標(biāo)志。它和紐約的帝國大廈、東京的電視塔同被譽(yù)為西方三大著名建筑。這個為了博覽會而落成的金屬建筑, 曾經(jīng)保持世界最高建筑45年, 直到的出現(xiàn)。 它由250萬個鉚釘連接固定, 據(jù)說它對地面的壓強(qiáng)只有一個正常的成年人坐在椅子上那么大。塔的四個面上, 銘刻了72個科學(xué)家的名字, 都是為了保護(hù)鐵塔不被摧

2、毀而從事研究的人們。埃菲爾鐵塔經(jīng)歷了百年風(fēng)雨，經(jīng)過20世紀(jì)80年代初的大修之后風(fēng)采依舊，巍然屹立在畔。它是全體法國人民的驕傲。 埃菲爾鐵塔占地一公頃，聳立在巴黎市區(qū)賽納河畔的戰(zhàn)神廣場上。除了四個腳是用鋼筋水泥之外，全身都用鋼鐵構(gòu)成，塔身總重量7000噸。從塔座到塔頂共有1711級階梯，現(xiàn)已安裝，故十分方便。每一層都設(shè)有和飯館，供游客在此小憩，領(lǐng)略獨(dú)具的巴黎市區(qū)全景：每逢晴空萬里，這里可以看到遠(yuǎn)達(dá)70公里之內(nèi)的景色。鐵塔的設(shè)計者埃菲爾先生當(dāng)初交付圖紙時就曾說：“只有適當(dāng)?shù)挠推?，才能保障這座金屬建筑的壽命?！边@句話對于鐵娘子的維護(hù)很是適用，它是不是同時也更適合于現(xiàn)今人們情感的維系：細(xì)致關(guān)懷，善始善

3、終，這才是人間大美之所在。埃菲爾鐵塔的結(jié)構(gòu)體系既直觀又簡潔:底部是分布在每邊128m 長底座上的4 個巨型傾斜柱墩,傾角54,由57. 63m 高度處的第一層平臺聯(lián)系支承;第一層平臺和115. 73m 高度處的第二層平臺之間是4 個微曲的立柱;再向上4 個立柱轉(zhuǎn)化為幾乎垂直的、剛度很大的方尖塔,其間在276. 13m 高度處設(shè)有第三層平臺;在300. 65m 高度處是塔頂平臺,布置有電視天線。鐵塔總重10000t ,承擔(dān)這些重量的是4 個堅固的直伸至下臥持力土層的沉箱基礎(chǔ)。在1884 年6 月的時候,埃菲爾設(shè)計事務(wù)所的兩位主要工程師Emile Nouguier 和Maurice Koechli

4、n就有了設(shè)計一座超高塔的思想。初步的設(shè)計像一個巨大的塔架,有四個由格構(gòu)梁架構(gòu)成的支腿,分立支撐在基礎(chǔ)上并在塔頂收在一起, 其間布置等間距橫梁聯(lián)系。為了更加合意公眾的評價,Nouguier 和Koech2lin 邀請建筑師Stephen Sauvestre 對結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式作進(jìn)一步處理Sauvestre 提議用石砌臺座整飾塔腳,用具有紀(jì)念性的拱結(jié)構(gòu)連接四個塔柱與第一層平臺, 每層平臺設(shè)大型玻璃墻大廳,頂部采用球狀造型等裝飾手法來亮化結(jié)構(gòu)。在其后的設(shè)計中工程師們進(jìn)行了進(jìn)一步的完善,像巨型拱之類的一些設(shè)計思想得到保留,并給鐵塔以極富性格的表現(xiàn)。另外,橫梁的設(shè)置得到簡化并與塔柱優(yōu)化以后的線形相協(xié)調(diào),使

5、鐵塔結(jié)構(gòu)受力更加簡捷,形式更加優(yōu)美,高揚(yáng)的動勢更加強(qiáng)烈。第一平臺底部4 個連接傾斜柱墩的大拱起初是為裝飾用的,有人認(rèn)為這4 個拱破壞了塔結(jié)構(gòu)的直線性、簡潔性和“誠實(shí)”性,也損害了塔身的美觀,但事實(shí)上這個“偽拱”已被公認(rèn)為塔身外形的一個基本組成部分。如果說是橫梁將四個塔柱簡單聯(lián)系在一起,那么,巨型拱的設(shè)置則把塔柱統(tǒng)一到鐵塔這一整體中來。而且裝飾拱的曲線線形與塔柱的曲線線形也很協(xié)調(diào)。從圖上也可以看出,連接下部斜塔柱與水平橫梁的裝飾拱也具有一定的結(jié)構(gòu)功能,雖然拱不承擔(dān)塔柱向下傳遞的豎向荷載,但卻使塔柱與橫梁的連接加強(qiáng),并使水平荷載作用下橫梁與斜塔柱間的力流更加順暢。從鐵塔的初步設(shè)想圖中可以看出,下橫

6、梁和塔柱的聯(lián)結(jié)也表現(xiàn)出接頭處曲線過渡的想法,只是在建筑師的建議下,通過不斷的優(yōu)化,使結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的更加充分,整體形式更加統(tǒng)一。設(shè)計方法研究和1884 年的華盛頓紀(jì)念碑不同,埃菲爾鐵塔可以說是一個很輕的結(jié)構(gòu)。如果把埃菲爾鐵塔看作是一個實(shí)體結(jié)構(gòu)的話,那么,它的等價密度只有周圍空氣密度的78 倍。而華盛頓紀(jì)念碑是一座大理石方尖碑,高169m ,豎向荷載占絕對優(yōu)勢,側(cè)向風(fēng)荷載的作用相對小得多。紀(jì)念碑的主體輪廓以近似豎直的線條為主,恰當(dāng)?shù)胤从沉俗陨碇亓φ冀^對優(yōu)勢的特點(diǎn),同時在透視角度下亦不失視覺穩(wěn)定。對于埃菲爾鐵塔來說情況就不同了,側(cè)向風(fēng)荷載成為不得不考慮的重要設(shè)計因素,以曲線形式展寬并與基礎(chǔ)相連的四個塔柱

7、從視覺也上反映了風(fēng)荷載的影響。另外,埃菲爾鐵塔塔底至第二層平臺之間的塔柱內(nèi)裝有斜電梯,第二層平臺至塔頂則設(shè)有直升電梯,樓梯和電梯依照主體結(jié)構(gòu)的線形整合到結(jié)構(gòu)總體中,沒有生硬附加的感覺。相比較而言,日本的東京塔由于塔下突出的博物館建筑、博物館直通塔頂?shù)呢Q向電梯、塔體周圍眾多的電臺天線以及紅白相間的安全色使塔的整體性受到嚴(yán)重破壞。另外一方面,雖然東京塔與埃菲爾鐵塔外形輪廓很相似,但東京塔以網(wǎng)架的形式代替了埃菲爾鐵塔強(qiáng)大的格構(gòu)柱,就力感的表現(xiàn)而言,由于網(wǎng)架的視覺虛化和中心柱的單薄,東京塔不如埃菲爾鐵塔突出。 從單元造型法的角度看埃菲爾鐵塔的構(gòu)成在基本造型元素的基礎(chǔ)上,經(jīng)過簡單的加工(包括加法構(gòu)成和減

8、法構(gòu)成) 就形成了造型單元,類似于結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的概念。在結(jié)構(gòu)造型設(shè)計中,以造型單元為基本構(gòu)件進(jìn)行組合從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)整體形態(tài)的方法就是單元造型法。造型單元的選取應(yīng)當(dāng)符合結(jié)構(gòu)的要求,并盡量與結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件相統(tǒng)一?；镜脑煨蛦卧灰诉^多,否則會導(dǎo)致視覺上的混亂。確定了幾類基本的造型單元,結(jié)構(gòu)的各個組成構(gòu)件就可以將這些基本造型單元作為模板,按具體的結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行尺度、比例的變化,并最終構(gòu)成結(jié)構(gòu)整體。埃菲爾鐵塔的整個塔體結(jié)構(gòu)高聳偉岸,上窄下寬,給人以平衡穩(wěn)定的美感。大到整個塔體、小至每一個部件在三維坐標(biāo)系中均呈對稱性。從單元造型法的觀點(diǎn)出發(fā),埃菲爾鐵塔的基本造型單元有兩類:拋物線形立柱和水平橫梁,而這兩者又

9、都是由基本桁架元構(gòu)成?；捐旒茉? 種,依次為“、”。按單元造型法理解,塔體眾多的桿件按照構(gòu)圖規(guī)律進(jìn)行有序的排列與組合,使眾多形成了統(tǒng)一。同時三種桁架元的使用順序也是由下至上,逐漸簡化、輕巧,合理的分配了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度并與實(shí)際結(jié)構(gòu)中內(nèi)力的分布相一致。塔柱不僅具有高揚(yáng)的精神動勢而且還要具備抵抗強(qiáng)大豎向重力荷載和水平風(fēng)荷載的力感。結(jié)合力學(xué)原理與數(shù)學(xué)計算的結(jié)果,塔柱具有上陡下緩的曲線構(gòu)形。以水平直線為主的橫梁的作用是加強(qiáng)塔柱的聯(lián)系,同時其上設(shè)置平臺以提供人們的活動空間。在下橫梁處,塔柱已經(jīng)張得很開,因而橫梁的跨度也相應(yīng)增大,其作為聯(lián)系的功能相對減弱而跨越的效果有所體現(xiàn)。為了進(jìn)一步加強(qiáng)塔柱和橫

10、梁的聯(lián)系并使之統(tǒng)一為一個整體,同時充分體現(xiàn)塔底因塔柱叉開而產(chǎn)生的跨越效果,設(shè)計布置一組巨型拱門是非常合適的。埃菲爾鐵塔造型的力學(xué)思想由古斯塔夫埃菲爾等人創(chuàng)造的這個傳世佳作在美學(xué)、力學(xué)、建筑學(xué)等方面均有其獨(dú)到之處。埃菲爾鐵塔所體現(xiàn)的設(shè)計思想至今仍具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義,給人以有益的啟迪。先假設(shè)一個對稱的簡單桁架體系來抵抗強(qiáng)風(fēng)荷載P1 , P2 , P3 , P4 (圖5) :為了計算MN 截面上三個桿件的拉力或壓力,可以先計算截面以上塔體所受外部荷載的合力P。如果MN 截面上外側(cè)的兩個弦桿延長相交于外部荷載合力P 的作用線上,那么中間格構(gòu)柱上的力將不存在,也就是說這根桿件可以被省去(但是為了使

11、兩根弦桿共同受力并且每根弦桿也能單獨(dú)承受一部分水平風(fēng)荷載,少量的橫撐不可缺少的同時弦桿也應(yīng)具有一定的抗彎剛度) 。更進(jìn)一步講,如果此時MN 截面以上塔的重量產(chǎn)生的順時針力矩和風(fēng)荷載產(chǎn)生的逆時針力矩相平衡,那么迎風(fēng)面弦桿將沒有軸向力的作用,同時背風(fēng)側(cè)弦桿的軸向力將指向重力荷載與水平風(fēng)荷載的合力點(diǎn)。通過改變豎向構(gòu)件的方向來反映彎曲的壓力曲線,正是這種原則方法的應(yīng)用構(gòu)成了埃菲爾鐵塔結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)之一,并且至少在塔的下部決定了外部的形式。從而,通過在上部結(jié)構(gòu)的大多數(shù)截面上省去格構(gòu)桿件,重點(diǎn)突出了四個獨(dú)立的塔柱。而且塔柱自身顯著的強(qiáng)度,不僅能夠提供巨大的豎向荷載的支承,對水平風(fēng)荷載亦有足夠的抗力,給人以

12、深刻的印象。為了鐵塔的整體性和穩(wěn)定感,4 個塔柱在三層平臺上由橫梁聯(lián)系一體?，F(xiàn)在的塔架外形又很多采用拋物線型,其下部的塔柱斜度較大,有較強(qiáng)的抗剪能力,從而使得相應(yīng)層斜桿分擔(dān)的剪力減小。在一定的條件下,靜力計算中會出現(xiàn)這樣的情況:只要斜桿是截面極小的“虛桿”也能滿足結(jié)構(gòu)的平衡。因為此時塔架的外形類似埃菲爾鐵塔,這種情況就稱為塔架的“埃菲爾效應(yīng)”。然而,風(fēng)荷載存在一定幅度的變化,會使斜材內(nèi)力產(chǎn)生較大的變化。因為沒有象埃菲爾鐵塔那樣強(qiáng)大的塔柱,所以必須對這時候斜桿的真實(shí)受力情況進(jìn)行研究,以避免由此類“假想平衡”狀態(tài)而引起的斜桿選擇不當(dāng)。目前一般通過規(guī)定斜桿與塔柱的軸力比的下限來防止“埃菲爾效應(yīng)”的產(chǎn)

13、生。 風(fēng)荷載對埃菲爾鐵塔結(jié)構(gòu)形式的影響埃菲爾鐵塔設(shè)計時被認(rèn)為,除自重和游客的重力荷載外,主要承受風(fēng)載。設(shè)計師假定沒有“穿孔效應(yīng)”的塔身要承受塔頂238km/ h、塔底169 km/ h的最大風(fēng)速。由于塔身是由鋼構(gòu)架(實(shí)際用的是鍛鐵) 做成,沒有外面層包裹,風(fēng)可以穿越結(jié)構(gòu),實(shí)際風(fēng)載比設(shè)計值小得多,因而有很大的安全儲備。為了進(jìn)一步闡明鐵塔結(jié)構(gòu)造型中所包含的力學(xué)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計思想,不少學(xué)者進(jìn)行了專門的研究。美國俄亥俄州肯特州立大學(xué)的Joseph Gallant在其埃菲爾鐵塔的形式3 一文中提到“埃菲爾鐵塔與眾不同的造型源于基本的力學(xué)思想,設(shè)計原則是讓最大風(fēng)荷載產(chǎn)生的傾覆力矩與鐵塔自身重量產(chǎn)生的力矩相

14、平衡”, 為了實(shí)現(xiàn)這種平衡,埃菲爾“彎曲了塔柱使得同一高度上各點(diǎn)引出的切線相交于一點(diǎn)且這一點(diǎn)也恰恰在塔體切點(diǎn)以上部分風(fēng)荷載合力的作用線上”。于是通過計算確定的塔柱曲線能夠提供最有效的抗風(fēng)支持,而且橋塔實(shí)際重量產(chǎn)生的豎向力與最大風(fēng)荷載產(chǎn)生的水平力兩者的合力在鐵塔每一層上都是沿著鐵塔的理想塔柱。在這一認(rèn)識的基礎(chǔ)上,Joseph Gallant 以風(fēng)壓為基本參數(shù),利用數(shù)學(xué)工具重構(gòu)了鐵塔的幾何形式。由于一開始假定風(fēng)壓沿塔高度不變,從推導(dǎo)的結(jié)果看效果不是很好,只能在部分塔段上與實(shí)際塔形保持一致。如圖6 所示塔頂和塔底的結(jié)果很難同時符合實(shí)際構(gòu)形。風(fēng)荷載的主要成分是平均風(fēng),其主要特點(diǎn)之一就是平均風(fēng)速在梯度風(fēng)

15、高度內(nèi)隨高度而變化,這是由于地表障礙物的作用而造成的,而且隨地面粗糙程度而變化。考慮到風(fēng)荷載的這種特性,Joseph Gallant 進(jìn)一步優(yōu)化了有關(guān)風(fēng)壓的參數(shù),結(jié)果非常好。另外,科羅拉多大學(xué)的Patrick D. Weidman 在其埃菲爾鐵塔的數(shù)學(xué)模型一文中也進(jìn)行了這方面的研究,用不同的方法進(jìn)一步說明了風(fēng)荷載對埃菲爾鐵塔結(jié)構(gòu)形式的影響。需要說明的是,鐵塔的實(shí)際線形是在結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,綜合考慮美觀、經(jīng)濟(jì)和可施工性等方面內(nèi)容而最終完成的。但無論如何,清晰的結(jié)構(gòu)意識在這一過程中的基礎(chǔ)性地位是不能動搖的。1887年1月28日，埃菲爾鐵塔正式開工。250名工人冬季每天工作8小時，夏季每天工作13小時，終于，1889年3月31日這座鋼鐵結(jié)構(gòu)的高塔大功告成。埃菲爾鐵塔的金屬制件有1.8萬多個，重達(dá)7000噸，施工時共鉆孔700萬個，使用鉚釘250萬個。由于鐵塔上的每個部件事先都嚴(yán)格編號，所以裝配時沒出一點(diǎn)差錯。施工完全依照設(shè)計進(jìn)行，中途沒有進(jìn)行任何改動，可見設(shè)計之合理、計算之精確。據(jù)統(tǒng)計，僅鐵塔的設(shè)計草圖就有5300多張，其中包括1700張全圖。鐵塔采用交錯式結(jié)構(gòu)，由四條與地面成75度角的、粗大的、帶有混凝土水泥的鐵柱支撐著高聳入云的塔身，內(nèi)設(shè)四部水力