Project1世贸大楼倒塌事故的调查与原因分析

世贸大楼倒塌事故的调查与原因分析尹航（6123310701），刘嘉磊（6123310702）摘要：美国纽约世界贸易中心在911事件中的倒塌不仅造成了巨大的人员、财产损失，也对全世界范围内土木工程设计产生了重要影响。本文通过参考多方调查数据以及对于大楼受爆炸冲击、火灾影响的数值分析，得出结论：“9·11”恐怖袭击事件造成纽约世贸大楼的内部竖向承重钢结构的防火保护层在爆炸中严重脱落，火灾高温使钢材强度大幅度降低，导致着火层群柱失稳，上部巨大的冲击荷载把下层柱逐层压，从而引发连续坍塌。最后对超高层建筑的结构从抗爆、耐火等方面提出相关设计建议。关键词：世贸大楼倒塌撞击爆炸影响火灾影响超高层建筑设计建议耐火性设计建议1.引言2001年9月11日，恐怖分子劫持民航客机撞击美国纽约世贸中心双塔楼，随后的爆炸和火灾使大楼坍塌，造成3000余人死亡或失踪，经济损失无法估计。“9·11”事件留给人们无尽的思考，也给今后超高层钢结构设计带来严峻挑战。分析与总结人类用如此巨大的代价换来的教训与经验，对今后超高层钢结构设计具有重大意义。2.世贸大楼倒塌事故的调查美国国家标准技术研究所承担了本次事故世贸中心大楼倒塌原因的主要调查工作，经过了将近两年的时间于2004年6月19日发出总结报告：世贸大楼的设计者当初可能对该建筑的风力荷载量严重估计过低，导致大楼抵抗袭击的能力下降。同时塔楼打防火涂层和灭火设施未达到标准，没有对火灾达到良好的遏制，飞机撞击大楼后，世贸大楼内大火温度高达1093℃，所以即使是铜铸铁打也不能不塌。大火之所以摧毁大楼，是由于楼内的防火和灭火设施靠不住。在正常情况下，大楼的灭火系统应该可以控制火势。但是，飞机撞击损坏了楼内的防火层，切断了部分水管，碎屑粉尘堵塞了洒水装置，导致洒水装置无法运作，大火完全失控,使得火灾成为大楼坍塌的主要原因。下面是关于世贸大楼及911事件的调查数据统计：2.1世贸中心工程概况数据纽约世贸中心建成于1973年，由两栋110层的方形塔楼和裙房组成。塔楼地上部分为110层，高417m。平面尺寸为3.5m×63.5m，服务性核心区平面尺寸为42m×26.5m。标准层层高为3.66m。塔楼采用钢框筒结构体系。四周为密柱深梁型框筒，主要抵抗水平荷载。框筒由240根钢柱组成，柱距为1.02m（9层以上），柱截面为450mm×450mm方钢管，其壁厚沿高度不等。窗裙梁截面高度为1320mm。框筒立面开洞率为24%。大楼底部（8层以下）三柱合一，柱距加大到3.06m，柱截面放大到686mm×813mm。内部核心区为47根钢柱组成的框架，用以抵抗竖向荷载。核心区的一般柱截面为450mm×450mm钢管。结构的外露表面喷涂石棉水泥进行防火保护，其厚度为30mm。2.2飞机撞击情况数据双塔楼南楼的撞击点在78～84层，62min后坍塌；北楼撞击点在93～98层，103min后坍塌。撞击北楼的波音757飞机参数：机身最大宽度3.8m，翼展38.05m，机高为13.56m，最大起飞重量1111320N，最大载油量42600L，巡航速度917km/h，最大载客178～239人，机上实际载客92人。撞击南楼的波音767飞机参数：机身最大宽度5.03m，翼展47.57m，机高为15.85m，最大起飞重量1560258N，最大载油量51130kg，最大油量航程为9530km，最大巡航速度898km/h，最大载客269人，实际载客65人。现以遭到撞击首先坍塌的南楼为例进行粗略分析。假设飞机实际质量为120000kg，速度为700～800km/h，则撞击动能约为（2.27～2.96）×109J。虽然结构的变形能和被撞断的梁、柱的冲击功可粗略估计，但飞机残骸的剩余动能、机体毁坏耗能以及转化出的热能、声能很难估计。由于飞机从大楼一个边的中点沿45度角撞入，从相邻边中点附近撞出，假设飞机撞入结构外筒后其残骸宽度为8m（机翼易于折断），从平面几何关系可判断：飞机仅撞断了承担竖向荷载的核心框架47根柱中的1～3根。2.3世贸大楼倒塌的影响根据纽约市政府统计，世贸中心倒塌造成损失67亿美元，计算机及其它办公设备共计损失120亿美元，重建大楼将耗资53亿美元，纽约市政府还要花费110亿美元用来安抚数千名遇难者家属。并且由于这次的灾难事件，造成了以后长时间周边和世界经济的恶劣影响。3.世贸大楼倒塌事故的原因分析3.1世贸大楼结构美国纽约世界贸易中心世贸大楼的结构属于“筒中筒”结构。其设计意图是靠中间的电梯井来承受大楼的整个重量。大楼外面一层“筒”是许多的柱子，里面是用26m见方的混凝土加上大的型钢构成的电梯系统。而每一层楼面是由很多桁架构成的，而且这些桁架外侧搭在外层“筒”的柱子上，内侧搭在内层“筒”的电梯系统上，跨度大约18m。每条桁架大约有83cm。它们起到对外层柱子的支撑作用。此外，这些桁架上面还铺了一层钢板，钢板上面浇灌了大约15cm的混凝土。外层“筒”的柱子是用银色的铝合金制成的，每根大约有47cm宽，每两根间的距离有55.8cm。这样一来，从外面看，世贸大楼没有窗户，而全部是柱子。柱与柱之间有横梁（每根约1.2m高），用以将柱与柱联系起来。但是因为柱子之间的距离很小，没办法进人，所以，在大楼最下面3层，将三根柱子并作一根，形成拱形。这样，最下面几层柱子之间的距离就达到了3m，成为很好的入口处。3.2火灾发生原因及全过程第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。由于这种波音757飞机所载燃油较少，加上撞击位置较高，上层压力较小，所以大火烧了很久，直到当天晚22：28，大火燃烧了1h43min后世贸大楼北部塔楼才倒塌。继第一架飞机撞击后15min第二架飞机撞击于世贸大楼的南部塔楼。因波音767飞机所载燃油量大，加上撞击位置较低，上层压力很大，所以晚22：05大火燃烧了1h2min后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌，灰尘和残骸四处飞溅。这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35t燃油，波音767飞机可载51t燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。在起飞后这些飞机很快改变航线撞击纽约世界贸易中心大楼，机上燃油消耗很少，几乎将它们的满满一箱的优质航空煤油都撒到了大楼里，燃起了熊熊大火。3.3世贸大楼倒塌原因及全过程在烈火燃烧下，两侧外围承重的钢柱软化，其核心部位——电梯井已失去作用（有部分油料会倒灌井内，引起井道内爆），里面几乎成了镂空状态。以上数十层至少有重于20000t的楼层的重力（以两幢共用钢19.2×104t计，加上租赁方的什物就远不止这个数了），在有10m高的空间盈余下，夹着9.8m/s2秒的加速度作自由落体坠落，重力之下，势如破竹。撞北塔的飞机侧翼以45°正中撞入，所以后来北塔是作垂直坍塌的。而撞南塔的飞机虽然没有侧翼角度，但撞击点有点偏向楼体外侧（可以看到贯入的飞机机翼从里向外划破楼体一侧的画面），因不是正中镂空，所以南塔坍塌时是略微以15°倾斜砸下。同时，因是坍塌，所以其一些管道，如电梯井等，在重压之下，压缩气体的压强也为撑破楼体起了不可低估的力量。当大厦坍塌时，我们看到下层的楼体是被压得向外四方爆裂的。在这里，大火长时间燃烧飞机所撞击的那几个楼层的钢材，高温致使被飞机冲力撞剩的钢柱软化，而它上部楼层约数千吨到上万吨的重量自然就会落下来，像一个巨大的铁锤，砸向下面的楼层，对下面的楼层结构的冲击力远远大于其原先静止时重力，下面的楼层结构自然难以承受，于是一层层垂直地垮塌下来。而被撞击层以上楼层的重力在加速度作用下，以雷霆万钧之势，造成了世界贸易中心的坍塌。3.4世贸大楼被破坏机理总结可见，破坏的机理包括撞击爆炸强度破坏、燃烧失稳破坏、重荷压溃破坏。爆炸强度破坏形式是构件强度破坏和防火保护层脱落破坏。撞击破坏程度应由外向里，逐渐减弱。受撞面撞击区域，约3~6层高外筒框架梁柱、楼板、及核心筒部分框架梁柱撞断（碎），结构整体性严重破坏。其上荷载迅速转给相邻框架，结构完成内力重分配，达到了新的平衡，但承载力明显降低了。爆炸破坏的强弱方向，与撞击相反，由里向外。核心筒及其附近楼板破坏最为严重。双塔楼再度严重破坏。但结构再次协调，仍达到了新的平衡，尚有足够的竖向承载力。燃烧失稳破坏则是由于燃烧猛烈发生，防火保护层脱落，核心筒及其附近钢结构温度急剧上升，钢构件逐渐软化失稳破坏，上荷载向相邻构件转移，残余结构协调平衡，承载力降低。这一过程持续循环，火灾破坏范围扩大，撞击部位以上的残余结构整体性削弱，构件负荷增大，结构承载力降低，循序渐进。最后，撞击层以上紧邻撞击层的所有节点和构件，几乎同时达到极限承载力。瞬间，丧失整体性，失稳坍塌。重荷压溃破坏是指撞击爆燃层以上的残余结构整体坍塌，全部重力荷载直落在下部残余结构的顶层，压塌楼板，逐层下落压溃，直至整幢塔楼轰然坍塌。总结为撞击层破坏坍塌顺序：①内筒与楼板梁节点——②内筒及其附近楼板——③大面积楼板——④外筒。4.结论4.1世贸大楼设计的优缺点世贸大厦倒塌的原因主要是由于飞机高速撞击导致了钢柱和楼层破坏，爆炸冲击波对爆破中心区域钢结构构件的摧毁性破坏。此外从这次事故中，我们可以看出筒中筒钢结构冲击耗能能力强，延性好，耐冲击震动性能强。筒中筒结构空间协同整体性能很好，达到了偶遇荷载下/坏而不垮的设计目标。耐火极限达1~1175h，挽救了90%人员的生命。垂直坍塌大大减小了灾难的波及范围。柱子箱型截面，外露比表面小，抗火性能良好，火灾中发挥了一定的抵御作用。但楼板梁用轻型空腹桁架，用钢量小，经济指标好，但抗火性能很差。钢结构宜采用焊接节点，并加设施工安装螺栓。双塔楼筒体柱、梁梁拼接，筒体与楼板桁架梁连接，均采用了螺栓节点。安装方便，但强度和抗火性能均不如焊接节点，成了灾难的祸根!外筒体梁柱相贴连接，实现了建筑立面效果，但不如相贯连接可靠。4.2超高层建筑的结构设计建议鉴于纽约世贸中心在火灾中坍塌的事实和人们对建筑结构耐火稳定性的研究成果，本文对我国今后超高层标志性建筑的结构设计作两点建议：1.外筒内框架体系是较好的结构形式，外筒仍用钢结构为好，并应加强其强度和刚度，以此作为抗冲击的第一道防线。遭受撞击时，由深梁密柱组成的外筒以其强大的变形能力和韧性吸收大量的撞击能量。相反，内筒外框架体系使竖向承重结构暴露在外，抗冲击性差。2.强化内框架竖向承重体系的耐火性能作为主要竖向承重体系的内框架，其耐火性能的优劣是结构在火灾中能否保持稳定的关键。4.2提高普通建筑及高层建筑耐火性的设计建议1.采用钢筋混凝土结构。混凝土的导热系数比钢材小30～40倍，构件表面从火场吸收的热量较难传到其内部。当截面越大时，耐火性越好。另一方面，混凝土在高温下的强度折减系数比钢材要大。所以，钢筋混凝土柱的耐火性比钢结构要好得多。2.采用型钢混凝土结构。同上原因，外包的混凝土保护了内部的型钢，并且混凝土的强度较高，隔热性能不退化，耐冲击性强，不易脱落。3.采用钢管混凝土结构。钢管混凝土虽然钢管在外，但因其内部填充的混凝土吸热能力较强，所以对保护材料的依赖程度降低。4.采用耐火钢建造内框架。耐火钢是近年开发研究的一种新型钢材，其主要标准是：在600℃时强度不低于室温时的2/3。这样钢结构对防火保护材料的依赖性大为降低。如用耐火钢管制作钢管混凝土柱，其耐火能力更强。5.采用具有更高粘结强度和抗冲击能力的钢结构涂料。5.说明（团队的作用、个人的贡献）考虑到团队队员之间优势互补，取长补短的目的，我们进行了明确的分工：利用刘嘉磊同学较好的信息收集能力和尹航同学的信息整理能力，我们分别来做利用网络和图书馆资源搜集所需信息和从搜集成果中选出我们需要的内容和整理成篇的两部分工作，这样很好的提高了团队工作的效率。最终共同商议、协作下完成论文，具体个人完成工作的项目如下：尹航：整理信息；整理报告格式；分析事故发生的原因及收获；撰写关键词、事故调查、说明三部分刘嘉磊：搜集信息；分析建筑的结构；撰写摘要事故原因分析、结论、参考文献四部分6.参考文献【1】李飞、王全凤.《世贸中心倒塌原因探讨》.《山西建筑》2009年16期【