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比萨斜塔—中古世界七大奇迹之一

2022-11-30 10:11:02 1974

摘要:钟楼始建于1173年,设计为垂直建造,但是在工程开始后不久(1178),便由于地基不均匀和土层松软而倾斜,1372年完工,塔身倾斜向东南。比萨斜塔是比萨城的标志,1987年它和相邻的大教堂、洗礼堂、墓园一起因其对11世纪至14世纪意大利建筑...

钟楼始建于1173年,设计为垂直建造,但是在工程开始后不久(1178),便由于地基不均匀和土层松软而倾斜,1372年完工,塔身倾斜向东南。

比萨斜塔是比萨城的标志,1987年它和相邻的大教堂、洗礼堂、墓园一起因其对11世纪至14世纪意大利建筑艺术的巨大影响,而被联合国教育科学文化组织评选为世界遗产。

比萨斜塔是一座独立的建筑,周围空旷, 比萨斜塔建造,经历了三个时期:

第一期,自1173年9月8日至1178年,建至第4层,高度约29m时,因塔倾斜而停工。

第二期,钟塔施工中断94年后,于1272年复工,至1278年,建完第7层,高48m,再次停工。

第三期,经第二次施工中断82年后,于1360年再复工,至1370年竣工,全塔共八层,高度为55m。

比萨斜塔之所以会倾斜,是由于它地基下面土层的特殊性造成的。比萨斜塔下的有好几层不同材质的土层,各种软质粉土的沉淀物和非常软的粘土相间形成,而在深约一米的地方则是地下水层。这个结论是在对地基土层成份进行观测后得出的。最新的挖掘表明,钟楼建造在了古代的海岸边缘,因此土质在建造时便已经沙化和下沉。

目前比萨斜塔的情况:从地基到钟楼的高度:58.4m;地基的直径:19.6m;钟塔向南的倾斜度:5.5度。

对倾斜后的斜塔进行受力分析:首先我们作一些模型简化 1.将该建筑看作一根细杆,且偏离竖直方向向角度是5.5度。 2.该细杆质量分布均匀,且单位长度受重力为q。通过计算我们得到最高层的中心已偏离5.6m,该建筑受到了竖直向上的应力和弯矩,该应力可分为沿杆方向的正应力和垂直于杆的切应力,且一般情况下,正应力不会超过其作用应力,主要构成威胁的是切应力和弯矩。并且经分析在杆与地面接触的地方是危险点。由于该问题不是简单的细杆受力问题,受到多方面的干扰,包括风力,倾斜导致的切应力等等。所幸该建筑得到全世界专家的重视,目前已得到解决。

斜塔的拯救:地基应力解除法--其原理是,在斜塔倾斜的反方向(北侧)塔基下面掏土,利用地基的沉降,使塔体的重心后移,从而减小倾斜幅度。该方法于1962 年,由意大利工程师Terracina针对比萨斜塔的倾斜恶化问题提出,当时称为“掏土法”,由于显得不够深奥而遭长期搁置,直到该法在墨西哥城主教堂的纠偏中成功应用,又被重新得到认识和采纳。 比萨斜塔拯救工程于1999年10月开始,采用斜向钻孔方式,从斜塔北侧的地基下缓慢向外抽取土壤,使北侧地基高度下降,斜塔重心在重力的作用下逐渐向北侧移动。2001年6月,倾斜角度回到安全范围之内,关闭了十年的比萨斜塔又重新开放,一个世纪的愿望终于实现了。

方法的拓展:比萨斜塔的拯救,作为经典范例,也使地基应力解除法摆脱了偏见,得到了一致认可和广泛应用,目前已成为建筑界最常规的纠偏方法。在比萨斜塔的拯救过程中,我国建筑专家刘祖德教授,曾多次向比萨斜塔拯救委员会建议采用地基应力解除法,起到了积极的作用。刘祖德在1989年用“地基应力解除法”成功“移动”汉口取水楼长航宿舍的八层楼房。倾斜率从1.3%降为0.63%,沉降速度减慢一半。18年来,刘祖德教授和他的课题组用“地基应力解除法”,成功地为149座高楼纠偏扶正,其足迹踏遍湖北、广东等全国15个省市,仅武汉地区被纠偏的楼房就有80多座,为国家挽回经济损失近5亿元。

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