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1、美国纽约世界贸易中心大楼事故分析与反思 T h eA c c i d e n tA n a l y s i sa n dR e f l e c t i o no fA m e r i c a nN e w Y o r k W o r l dT r a d eC e n t e rB u i l d i n g 牛发民 ( 宁夏施图建筑设计审查咨询有限公司，银川7 5 0 0 0 1 ) N I UF a - m i n ( N i n g x i a S h i t uA r e h i t 略e m r a lD e s i g n R e v i e w C o n s u l t i n
2、 g C o L t d 。Y i n c h u a n 7 5 0 0 0 1 ，C h i n a ) 【搞要l 芙田纽约世界贸易中茁座落在纽约曼哈捶岛南部。是纽约中心的标志。谊工程为姐妹塔接。地下6 晨，地上1 1 0 晨。高 4 1 7 m 标准屡平面尺寸6 3 5 m X 6 3 5 m ，每幢楼建筑面积4 1 8 x 1 0 。m = ，整个大楼可客蚋5 万人工作。采用外筒结构体系。建于1 9 7 3 年。每幢徭总用钢量78 0 0 t 。在2 0 0 1 年9 月1 1 日两榘飞机分别撞进北大接的9 3 屡“ 9 9 屡，和南大楼的7 8 层- 8 5 屡。两个多小时 后两接先
3、后垂直向下垮掉。饲塌原因是”飞机撞击一火灾一。飞机冲撞时大楼确实造成了一定的破坏，随后燃起的大大使大量钢 筋软化导致结构失穗才是违成大楼倒塌的直接原因。 【A b s t r a c t N e w Y o r k W o r l d T r a d e C e n t e r i s l o c a t e d i n t h e s o u t h e m i s l a n d o f M a n h a t t a n , N e w Y o r k , N e w Y o r k i s t h e c e n t e r o f t h e m a r k T h e p r o
4、j e c t f o r t h es i s t e r t o w e r s ，u n d e r g r o u n d s i x - s t o r e y , 1 1 0 - f l o o r ，4 1 7 m e t e r s h i g h , s t a n d a r d - s i z e p l a n e 6 3 5 m x 6 3 5 m , e a c h f l o o r c o n s t r u c t i o n a r e a o f 4 1 8 ，0 0 0 s q u a r e m e t e r s ，t h e e n t i r e
5、 b u i l d i n g c a n a c c o m m o d a t e 5 0 ，0 0 0 p e o p l e , u s i n g t h e t u b es 1 1 “ u o t u r e ，b u i l t i n l 9 7 3 ，e a c h f l o o r o f t h e t o t a l 7 ，8 0 0 t o n s o f s t e e l I n S e p t e m b e r l l ，2 0 0 1 t w o a i r c r a f t w e r e c r a s h e d N o r t h B u i
6、 l d i n g o f t h e 9 3 - 9 9 ，t h e S o u t h T o w e r , t h e 7 8 - - 8 5 M o r e t h a n t w o h o u r s a f t e r t h e h o u s e h a s t w o v e r t i c a l d o w n w a r d c o l l a p s e 。 1 1 hr e a s o n sf o r t h ec o l l a p s eo f t h e ”a i r c r a f tc o l l i s i o n f i r e ”a i r
7、 c r a Rc o l l i s i o no f t h eb u i l d i n gd o e sc r e a t eac e r t a i na m o u n to f d a m a g e ，a n d t h e n i g n i t e d t h e f i r e t h a t c a u s e d m a s s i v es t r u e m r a ls t e e l t o s o f 妇t h e b u i l d i n g i n s t a b i l i t y i s t h e d i r e c t c a u s e o
8、f t h e c o l l a p s e 【关奠词l 世界贸易中心；钢结构失穗；撞击；火灾 【K e yw o r d s W o r l d T r a d e C e n t e r ；, s t e e l i n s t a b i l i t y , i m p a c t ；f i r e l 中圈分类号 T U 7 4 6 1【文献标志码I A【文章编号1 1 0 0 7 9 4 6 7 ( 2 0 1 1 ) 0 9 - 0 0 6 9 - 0 4 1 工程详细情况描述 美国纽约世界贸易中心大楼的结构世贸大楼座落在 纽约曼哈顿岛南部。其为姐妹塔楼，地下6 层，地上1 1
9、0 层。高4 1 7 m ，标准层平面尺寸6 3 5 m x 6 3 5 m ，每幢楼建筑面 积4 1 8 x l O m 。美国纽约世界贸易中心世贸大楼的结构属 【作者简介l 牛发民( 1 9 6 9 - ) 。男宁夏盐池人。高级工程师，从事建筑工程 施工图结侮设计及审查。( 电子信箱) k u i h u a $ 7 7 y a h o o g e m c l i o 于“筒中筒”( t u b e i n t u b e ) 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”是许多非 常密的柱子，里面是用2 6 m 见方的混凝土加上大的型钢构 成的电梯系统。而每一
10、层楼面是由很多桁架( t r u s s e s ) 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1 8 m 。每条桁架大约有 8 3 c r n 。它们起到对外层柱子的支撑作用。此外，这些桁架上 面还铺了层钢板，钢板上面浇灌了大约1 5 c m 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 4 7 c m 宽。每两根间的距离有5 5 8 c m 。这样一来，从外面看， 6 9 万方数据 I “ 1 - 程建设与设计 I 1 c n m 脯J w l 斯冉日“ I 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
11、2 m 高) ，用以将柱与柱联系起来。但是因为柱子之 间的距离很小，没办法进入，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3 m ，成为很好的人口处。世贸大楼的建筑 结构功能和建筑艺术都是很有特点的。世贸大楼这种“筒 中筒”的结构基本思想是：大楼的顶部大约要承受4 0 0 0 P a 的风压，这种设计可以使得大楼顶部有9 0 c m 缓慢的位移。 这两栋大楼在最大风压的情况下的最大位移是2 8 c m 。这种 结构设计最优秀之处在于，中间每一层部分除了电梯井以 外的面积大约有4 0 0 0 m 2 ，这4 0 0 0 m 2 可以任意划分
12、，在其 中无论这么建隔断墙都不影响建筑的整体结构。大楼每层 的地面板都是预制好，再吊到每一层安装的。从重量上看， 每栋大楼每层由l O x l 0 4 t 钢、4 0 0 0 m 2 4 i n 厚的混凝土构成， 重量是很重的，整栋大楼的重量大约有l O O x l 0 4 t 。世贸大楼 的基础是一个2 4 3 m x l 2 7 m ，深度为1 9 8 m 的大基础。在这 个大基础上，不仅仅建有这两座世贸大楼，还有5 座较小 的建筑，而且地铁站就在这两座大楼下面。整个地方是 1 6 2 6 年英国殖民者从印第安入手中买下来的。1 7 8 9 年华盛 顿也是在这个地方担任第一任美国总统的。这
13、个地区从 1 8 2 5 年真正发展起来，逐渐形成了世界经贸中心。 这个地区有世界著名的华尔街、时代广场、中央公园、 哥伦比亚大学等等。纽约的高楼很高，但是纽约高楼最密 集的地方则是曼哈顿岛的南部。而位于这个地区的两栋世 贸大楼又是当地最高的建筑。所以它们也成为了纽约中心 的标志。 2失稳破坏详细描述 北京时间9 月1 1 日晚2 0 ：4 5 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7 5 7 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，直到北京时间9 月1 1 日晚2 2 ：2 8 ，大火燃烧了 l h 4 3 m i a 后世贸大楼北部塔
14、楼才倒塌。北京时间9 月11 日 晚2 l ：0 3 第二波飞机于撞击世贸大楼的南部塔楼。因波音 7 6 7 飞机所载燃油量大，加上撞击位置较低，上层压力很 大，所以北京时间9 月1 1 日晚2 2 ：0 5 大火燃烧了l h 2 r n i n 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7 5 7 飞机大约可载3 5 t 燃油，波 音7 6 7 飞机可载5 1 t 燃油，由于是从美国东部飞往西部的 7 0 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飞机油箱的优质航空
15、 煤油都撒到了大楼里，燃起了熊熊大火。两座楼均为1 l O 层，两架飞机分别撞进北大楼的9 3 层9 9 层和南大楼的 7 8 层8 5 层。 大厦被撞击后，那里面被飞机蹿空的3 层，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，在烈火燃烧下，剩下的 两侧外围承重的钢柱软化，以上数十层至少有重于2 00 0 m 的楼层的重力( 以两幢共用钢1 9 2 x l O + t 计，加上租赁方的 什物就远不止这个数了) ，在有l O m 高的空间盈余下，夹着 9 8 m s 2 秒的加速度作自由落澉坠落，重力之下，势如破仵引。撞 北塔的飞机侧翼以4 5
16、 。“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1 5 6 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
17、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，亡遇袭后盹必然结果坍塌【”。 因此，火，火，火，才是世界贸易中心殒落的决定因素。 双子星大楼被撞击后，结构已经受损，又身陷近2 0 0 0 I ；c 2 的 火海，使得支撑的钢架被熔化。燃烧的高温致使被飞机冲 力撞剩的钢柱软化，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遇袭后的 必然结果坍塌。几十吨飞机汽油引起的大火，导致大楼 钢结构软化甚至熔化，上层开始倒塌，往下逐层传递，下层 无法承担超过设计苟载很多
18、的突加外力也随之塌落，世贸 大楼砸下来的东西是砸在下面一层的楼板上，而且楼板还 有钢筋支撑，它无法进行塑性变型。它能吸收的压力就极 其有限。所以，世贸大楼的楼板一层层往下砸，重量越来越 万方数据 大，速度越来越快，动能也越来越大。形成“多米诺骨牌效 应”，最后导致整座大楼坍塌。 3事故原因分析 美国东部时间2 0 0 1 年9 月1 1 日上午8 ：4 5 ，一架起飞 重量达1 6 0t 的波音7 6 7 型飞机，直接撞击纽约世界贸易中 心北塔；1 8 m i n 后，又一架起飞重量为1 0 0t 的波音7 5 7 型 飞机，几乎拦腰撞击世界贸易中心南塔。假设两架飞机的 起飞重量是满负荷，再考
19、虑两种机型的速度是l0 0 0 k m h ， 而且以恐怖分子执意为之的心理，这个速度已是下限，那 么，在这种条- t 牛- T ，世界贸易中，亡、受到的冲量究竟有多少呢? 根据动量的计算公式P = m v ，m 是质点的质量，”是该 质点的质心速度，质点的动量是矢量，其方向和速度矢量 的方向相同。实质上，飞机撞击世界贸易中心是属于物体 对障碍物碰撞的现象，我们先看看有关数据： 1 ) 北塔所承受7 6 7 型飞机撞击的动量 m = 1 6 0 x l0 0 0 = 1 6 0o o o k g 口= ( 10 0 0 x 10 0 0 ) 36 0 0 2 7 7 8 m s P = - m
20、 v = 1 6 00 0 0 x 2 7 7 8 = 4 44 4 80 0 0 k g m s 2 ) 南塔所承受7 5 7 型飞机撞击的动量 m = 1 0 0 x1 0 0 0 = 1 0 00 0 0 k g = ( 1 0 0 0 x1 0 0 0 ) + 3 6 0 0 2 7 7 8m s P = m v = 1 0 0 0 0 0 x 2 7 7 8 = 2 77 8 0 0 0 0 k g m s 以上数据之巨，可见飞机每一次撞击的力量都是致命 的，所以有物理学家说，这种撞击与爆炸，可达10 0 0 t 烈性 炸药当量。南北塔是简中筒结构，核心是4 7 个电梯井( 因 分段
21、设置，4 7 个电梯井可容1 0 4 部电梯) ，外围是钢柱排 列，9 层以下的承重外柱间距为3 m ，9 层以上承重外柱间 距为1 0 1 6 m ，标准层窗宽仅O 5 5 m ，如此密植的钢铁森林， 于极高速撞击之下，两架飞机还是全都没入其腹部，甚至 撞击南塔那架还穿透整座进深达6 3 5 m 的大厦，撞击力量 之巨，威力之大，实在令人悚然。撞击后大楼中心部分直通 顶层的4 7 根钢柱( 内筒钢柱) ，在距离柱顶l 4 的地方断 裂。由于上部各层的压力( 重量) 突然减轻，断裂点以下的 内筒钢柱向上弹性延伸，使得各层楼板与内筒钢柱的连接 几乎全部破坏( 剪力破坏) 。整个大楼变成一个不稳定
22、体 系。但是，事实上，世界贸易中心却经受住了这等力量的撞 击，撞击造成的动量，并不是坍塌的决定因素。如果仅从材 料力学的角度看，世界贸易中心的选材与构造，在防撞击 建筑与结构设计I A m u k e m r a a n d n * “z k J - I l 方面，无论是强度还是刚度，抑或是稳定性( 虽然撞击之下 曾晃动达l m ) ，都是非常出众的。况且两幢塔楼已屹立近 3 0 a 了，而且还挨过一次炸，但它们这次坍塌，主要都不是 因撞击之力所致【钔。 撞击两塔的波音7 6 7 型或7 5 7 型飞机，如果机体直径 约计1 0 m 的话，也就是说，世界贸易中心北塔的8 0 层左 右，南塔的6
23、 0 层左右，在飞机的质量与速度的撞击下，应 该各有三层都处于被飞机蹿通的状态。而且7 6 7 机型满挂 油料是4 5t ，7 5 7 机型为3 0 t ，这些油料霎时倾倒其中，可从 具体数据看其惨烈之状。世界贸易中心边长为6 3 5 m ，世界 贸易中心每层的建筑面积- - 6 3 5 x 6 3 5 4 0 3 2 m 2 。 如果除开间隔墙体所占面积，还有一般占摩天大厦建 筑面积达1 5 1 4 的电梯井的面积，也就是说，在30 0 0 m 2 不到的面积里，浇灌了4 5t - - 3 0t 的高燃值的油料在燃烧 ( 南塔有一部分溢出) 。我们可以估量，以液态燃油的漫溢 性质，这数十吨燃
24、油所产生的热量，或可足以把受撞击层 变成熔炉，兼有楼体里面许多例如纸张、塑料制品、各类管 线气体等易燃易爆物品，特别是外幕墙玻璃被击破和电梯 井被穿透后，电梯井便变作拔气管，成了助燃工具。所以被 撞击后的世界贸易中心，远远看去，就像两根硕大的烟囱。 同时，高达10 0 0 “ C 的温度，钢结构都易产生变形，更因上有 重压，所以最终招致崩落现象。而且，高温之下，燃油有气 化的现象，急速膨胀的气体，燃烧中必然夹杂着爆炸，这更 是致命的1 3 J 。 4世贸大楼倒塌反思 第一个反思：曼哈顿岛南部的高楼区形成是从1 8 2 5 年 开始的，是资本主义积累了1 0 0 a 以上而形成的。所以，这 个地
25、区的建筑物非常集中。建筑物集中，人就集中。人一集 中，财富就集中。财富一集中，风险也就集中，这是美国人 自己造成的一个怪圈。换句话来说，我们是否还有必要像 曼哈顿岛南部这样将如此多的建筑、人、财富集中到一个 地区? 这样还会造成交通的堵塞、环境污染、热岛效应等等 随之而来的种种问题。世贸大楼的悲剧正是美国人几百年 来给自己设置的一个怪圈导致的。它的思想是要把城外的 人口和车辆向城中心集中，而城中心又不能建高楼。这样 不可避免地会在城中心形成交通的堵塞，修多少路都没有 用。现在可行的模式是，在老城外修建众多的小区。每个小 区有自己的系统，没有必要让人口都集中到市中心。国际 7 1 万方数据 l
26、工程t 设与设计 l c 蝴w 籼矗m 响_ 跏f 畸 国内的建筑专家也早就强烈反对建造超高层大楼，他们特 别强调的是超高层大楼的安全性极差，一旦发生火灾、凤 灾、地震等自然灾害；或人为破坏和质量事故，后果将不堪 设想。这也是世贸大楼倒塌给我们最直接反思。 第二个反思：我们过去要想使得一个建筑的安全性 增加，通常的方法是增加它的安全系数。要想它的建筑质 量高，总是增加它施工过程中的安全。但是我们有一个问 题想得比较少，那就是一个建筑中只要出现了一个疏漏， 就会引起整个结构坍塌。这是我们在结构工程上需要反思 的问题。比如在美国就曾经出现过这样一个工程事故：本 来一个屋顶和柱子连成了一个门式钢架，
27、钢架上有足够的 钢筋，钢筋还被箍筋箍住。但是一个裂缝就偏偏从两根钢 筋之间穿过。问题就一下子出来了。有裂缝的一边断裂了， 最后整栋楼都垮掉了。这就是一个部位出问题引起全盘垮 掉的例子。这在设计当中应该注意。再比如，前段时间宜宾 有一座桥断了。但是那座桥仅仅是桥板断裂，不会引起整 座桥倒塌。但是如果是斜拉桥的话，它的桥面板不仅仅要 受车的重量的压力，还要受压。这时一旦某一个桥面板损 坏，整座桥都会瘫痪。 5结语 钢结构体系稳定性研究虽然取得了一定的进展，但也 存在一些不容忽视的问题： 1 ) 目前在网壳结构稳定性的研究中，梁- 柱单元理论 已成为主要的研究工具。但梁柱单元是否能真实反映网 壳结构
28、的受力状态还很难说，虽然有学者对梁柱单元进 行过修正。主要问题在于如何反映轴力和弯矩的耦合效 应。 2 ) 在大跨度结构设计中整体稳定与局部稳定的相互关 系也是一个值得探讨的问题，目前大跨度结构设计中取一 个统一的稳定安全系数，未反映整体稳定与局部稳定的关 联性。 3 ) 预张拉结构体系的稳定设计理论还很不完善，目前 还没有一个完整合理的理论体系来分析预张拉结构体系的 稳定性。 4 ) 钢结构体系的稳定性研究中存在许多随机因素的影 响，目前结构随机影响分析所处理的问题大部分局限于确 定的结构参数、随机荷载输入这样一个格局范围，而在实 际工程中，由于结构参数的不确定性，会引起结构响应的 7 2
29、显著差异。所以应着眼于考虑随机参数的结构极值失稳、 干扰型屈曲、跳跃型失稳问题的研究。 从上面可以看出，我们的钢结构稳定理论还是不够完 善，我们在设计中一般都是把钢结构看成是完善的结构体 系，针对上述问题【4 】，我们可以看出在设计中我们没有考虑 一些随机因素的影响。但是我们在考虑这些因素之前，应 该弄清楚这些随机因素的来源。一般情况下把影响钢结构 稳定性随机因素分为三类： 1 ) 物理、几何不确定性：如材料( 弹性模量，屈服应力， 泊松比等) 、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。 2 ) 统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和 几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因
30、 此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定 性，是由于缺乏信息造成的。 3 ) 模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假 设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中 反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异， 都归结为模型的不确定性。 以上都是钢结构稳定设计中存在的问题。如对于钢结 构稳定设计中涉及到随机因素的影响，国外已经引入了钢 结构稳定的可靠度设计，这也表明了钢结构稳定设计理论 也在不断的完善。面对上述问题和机遇，我们这代土木人 要努力深入了解学习和实践，使得钢结构稳定理论设计不 断地完善，为国家，为社会的发展发挥自己的力量。参 【参考文献】 f l 郭满良，魏琏，黄孚浩灾难的遗产纽约世贸双塔楼坍塌 分析【J 1 建筑结构，2 0 0 2 ( 9 ) “ 4 0 “ 4 4 嘲李溪喧，李传才纽约世贸中心坍塌评析 J 】华中科技大学学 报( 城市科学版) ，2 0 0 3 ( 2 ) ：1 9 - 2 2 b l 王成，武际可世贸大厦塔楼倒塌的过程分析【J 】。力学与实 践，2 0 0 1 ( 6 ) ：7 3 7 5 M 李昀晖，李耀庄，邓芸芸，等火灾引起建筑坍塌的原因分析 及预防措施【J 1 中国公共安全，2 0 0 6 ( 4 ) ：6 - 8 【收稿日期 2 0 1 1 - 0 3 - 2 8 万方数据