纽约世贸大楼倒塌原因数值分析.doc

纽约世贸大楼倒塌原因数值分析1、背景 2001年9月11日，恐怖分子撞击美国纽约世贸中心双塔楼，随后的爆炸和火灾使大楼倒塌，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。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、大楼倒塌粗略分析 21世贸中心工程概况 73年建成，由两栋110层的方形塔楼和裙房组成 塔楼地上部分：110层，高417m 平面尺寸：63.5m63.5m服务性核心区平面尺寸：42m26.5m 标准层层高：3.66m 结构体系：钢框筒 四周为密柱深梁型框筒，主要抵抗水平荷载。 框筒：240根钢柱，柱距为1.02m（9层以上），柱截面为450mm450mm 方钢管，其壁厚沿高度不等 大楼（8层以下）：三柱合一，柱距3.06m ，柱截面放大到686mm813mm 窗裙梁：截面高度1320mm 框筒立面开洞率：24% 内部核心区：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：450mm450mm 方钢管 防火保护：喷涂石棉水泥，厚度为30mm 22 撞击损毁推断 南楼：撞击点在78-84层，62min后倒塌 北楼：撞击点在93-98层，103min后倒塌 撞击北楼的波音757飞机 ：机身宽度3.8m，翼展38.05m，高为 13.56m，最大起飞重量1111320N ,最大载油量42600升，巡航速度917km/h，最大载客178-239人，实载92人。 撞击南楼的波音 767飞机 ：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 。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 ；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。 飞机从大楼一个边的中点沿45度角撞入，从相临边中点附近撞出，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 ，撞击损毁对结构倒塌并无大的影响。23 爆炸损毁推断 根据理想状态下热平衡可推断出爆炸共释放热量为1.231010J ,爆炸温度为2525 ，由于外墙、窗户和隔墙的强度比梁、柱小得多，可视为泄压面积 。泄压比：0.08 我国规范要求泄压比：0.05-0.22 推断：爆炸发生后，由于外墙、窗户、隔墙首先破坏，使高压气体得以泄放，室内爆炸压力减小，主体结构未受到实质性破坏。 24 火作用推断 241 温度-时间曲线 242 内部框架柱温升计算 假定: （1）保护材料外表面温度为室内气体的平均温度，内表面为钢材温度； （2）钢柱截面上温度均匀分布 ；（3）火场输入构件的热量用以提高构件自身和保护材料的温度，不计其它热损失； （4）保护材料厚度内温度线性分布 ；（5）保护材料隔热性能没有大的变化 ；（6）保护材料在爆炸压力作用下部分脱落。 取1m长柱为研究对象 ，温升计算差分方程 烟气对钢构件的相当黑度 0.33 石棉水泥（喷涂或板材）取其密度为 940kg/m3 厚度为0.03m 243 钢柱承载力计算 2.5 倒塌推断 取柱子在火灾时的实际重力荷载（考虑人群的疏散）和温度共同作用下的截面应力与常温设计荷载下的应力之比即应力系数为0.7；柱表面的防火保护材料脱落面积小于20%，柱子在62min时不会失效； 当防火保护材料脱落面积大于30%时，62min时柱肯定失效； 当某一根柱失效后，通过刚度较大的楼盖向相邻柱卸载，从而加速了相邻柱的失效； 当楼层大部分柱失效后，上部共29层荷载将向下塌落，其冲击荷载的动荷系数经计算为8.08； 81层柱失效后，其上部的共29层荷载相当于柱设计轴力的倍作用于80层柱顶；如此巨大的荷载迅速使80层群柱压潰；下落的荷载又向下继续冲击，导致整个大楼逐层倒塌。 对世贸大楼的倒塌作如下推断： （1）由深梁密柱组成的强大外筒使飞机机翼毁坏，撞击面积大为缩小（由翼展宽47.57m，高为15.85m缩小到直径为5-8m的残骸），从而有效保护了内部的竖向承重框架，结构没有当即倒塌，为成千上万人的逃生赢得了时间。 （2）爆炸冲击波虽未对竖向承重框架造成实质性破坏，但对柱的防火保护层破坏严重，使其耐火性能显著降低。 （3）倒塌的直接原因是核心区框架柱防火保护层局部失效，高温作用下钢材强度大幅度降低。 （4）如果防火保护层没有脱落或脱落面积小于20%，大楼在62min内不会倒塌。 3、建议 （1）外筒内框架体系是较好的结构型式；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。 当遭受撞击时，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，不应采用。 （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