席卷欧洲的热浪对这座巴黎地标产生了影响
如今被称为埃菲尔铁塔的建筑最初被命名为“三百米塔”,意为高达300米的塔。
这个名字由工程师莫里斯·凯什兰和埃米尔·努吉耶向负责铁塔建造的古斯塔夫·埃菲尔提出。
它暗示了建造一座非凡建筑、一项创下新高度纪录的技术壮举的愿望。
随着夏季气温升高,埃菲尔铁塔变得比原本的设计还要高。
埃菲尔铁塔是为1889年世界博览会而建,以纪念法国大革命一百周年。
埃菲尔选用了熟铁作为建筑材料,这种材料他非常熟悉,并在之前的项目中取得了良好效果。这种含铁材料能够承受高应力,从而可以建造一座庞大而非常轻巧、且能安全抵御水平风力的铁塔。
为了说明铁塔之轻,其重量为7300吨,接近其内部所含空气的体积重量——约6300吨。
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埃菲尔铁塔旨在成为一个主要观测点,同时也是无线电广播的基地。铁塔本身是一个巨大的三角形格构结构,很像同时期的加拉比高架桥(同样由埃菲尔事务所设计)和苏格兰的福斯桥。
所有这些结构都会随着材料温度升高而膨胀。与桥梁(其表现更为复杂)不同,埃菲尔铁塔主要因温度变化而发生垂直方向上的膨胀和收缩。这种现象称为热膨胀。
我们知道,大多数固体受热膨胀,遇冷收缩。这是因为温度升高导致原子运动加剧,从而使原子之间的平均距离增大。
根据键合性质的不同,不同种类的固体膨胀程度也不同,工程师需要非常仔细地记录。陶瓷和玻璃由于键合更强,膨胀程度小于金属,而金属的膨胀程度又小于聚合物。
那么,如何估算固体的形变量呢?当构件是直线型时(大多数公共工程和建筑中的梁和杆件都是如此),形变量与三个参数成正比:构件的长度、温度变化量以及材料的膨胀系数。
许多陶瓷材料的膨胀系数通常在0.5×10⁻⁶至1.5×10⁻⁶(℃)⁻¹之间,金属在5×10⁻⁶至30×10⁻⁶(℃)⁻¹之间,聚合物在50×10⁻⁶至300×10⁻⁶(℃)⁻¹之间。这些(看起来可能有些奇怪)数字表示当温度升高1摄氏度时,单位长度的标准件增长的幅度。
膨胀性最强的材料是聚合物,其膨胀幅度约为金属的十倍,而金属的膨胀幅度约为陶瓷的十倍。
埃菲尔铁塔所用的熟铁及其钢构件的膨胀系数约为12×10⁻⁶(℃)⁻¹,这意味着温度每升高1摄氏度,一根一米长的铁棒会膨胀12×10⁻⁶米。这只有12微米,不到一根头发丝的厚度。
那么热量对建筑物有显著影响吗?有,如果我们考虑到另外两个参数:构件的长度和其所处的温度范围。
长度可能非常大。埃菲尔铁塔高300米,但加拉比高架桥长565米,福斯桥长度超过2.5公里。如今还有许多更大的线性结构,热膨胀也会影响许多桥梁承载的铁轨。
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还必须分析历史温度范围。巴黎的气温记录已有两个多世纪,冬季最低气温低于-20℃,夏季最高气温约40℃。我们还应考虑太阳辐射的影响——金属在阳光直射下温度会高得多,通常超过60℃或70℃。
那么,让我们来做一下计算。我们估算一下一根简单的100米长金属棒在温度波动100℃(大致相当于埃菲尔铁塔经历的温度变化范围)时会膨胀多少。
计算很简单。如果一米长的金属棒在温度升高1摄氏度时膨胀0.000012米,那么一根100米长的金属棒在温度升高100摄氏度时会膨胀0.12米。而一根300米长的金属棒会膨胀三倍:0.36米。也就是36厘米。这是一个明显的差异。
显然,一根简单的金属棒与一座由超过18000块铆接铁件组成、朝向各异的铁塔行为并不相同。此外,太阳总是只照射铁塔的一侧。这意味着铁塔的其中一个面比其它面膨胀得更多,导致铁塔出现微微弯曲,仿佛向远离太阳的方向倾斜。
专家估计,比较寒冷冬日和夏季最热天的尺寸,埃菲尔铁塔实际上会长高12至15厘米。这意味着,除了作为地标、通信塔以及巴黎本身的象征之外,埃菲尔铁塔实际上也是一个巨大的温度计。
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