紐約世貿(mào)大樓倒塌原因數(shù)值分析.doc

紐約世貿(mào)大樓倒塌原因數(shù)值分析1、背景 2001年9月11日，恐怖分子撞擊美國紐約世貿(mào)中心雙塔樓，隨后的爆炸和火災使大樓倒塌，造成3000余人死亡或失蹤，經(jīng)濟損失無法估計。 “9.11”事件留給人們無盡的思考，也給今后超高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來嚴峻挑戰(zhàn)。總結(jié)人類用如此巨大的代價換來的教訓與經(jīng)驗，對今后超高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重大意義。2、大樓倒塌粗略分析 21世貿(mào)中心工程概況 73年建成，由兩棟110層的方形塔樓和裙房組成 塔樓地上部分：110層，高417m 平面尺寸：63.5m63.5m服務(wù)性核心區(qū)平面尺寸：42m26.5m 標準層層高：3.66m 結(jié)構(gòu)體系：鋼框筒 四周為密柱深梁型框筒，主要抵抗水平荷載。 框筒：240根鋼柱，柱距為1.02m（9層以上），柱截面為450mm450mm 方鋼管，其壁厚沿高度不等 大樓（8層以下）：三柱合一，柱距3.06m ，柱截面放大到686mm813mm 窗裙梁：截面高度1320mm 框筒立面開洞率：24% 內(nèi)部核心區(qū)：47根鋼柱組成的框架，用以抵抗豎向荷載 核心區(qū)的一般柱截面：450mm450mm 方鋼管 防火保護：噴涂石棉水泥，厚度為30mm 22 撞擊損毀推斷 南樓：撞擊點在78-84層，62min后倒塌 北樓：撞擊點在93-98層，103min后倒塌 撞擊北樓的波音757飛機 ：機身寬度3.8m，翼展38.05m，高為 13.56m，最大起飛重量1111320N ,最大載油量42600升，巡航速度917km/h，最大載客178-239人，實載92人。 撞擊南樓的波音 767飛機 ：機身最大寬度 5.03m，翼展47.57m ，機高為15.85m ，最大起飛重量1560258N，最大載油量51130kg ，最大油量航程為9530km ，最大巡航速度898km/h，最大載客269 人，實際載客65人 。假設(shè)飛機實際質(zhì)量為120000kg，速度為700-800km/h ，則撞擊動能約為(2.27-2.96) 109J ；結(jié)構(gòu)的變形能和被撞斷的梁、柱的沖擊功可粗略估計，但飛機殘骸的剩余動能、機體毀壞耗能以及轉(zhuǎn)化出的熱能、聲能很難估計。 飛機從大樓一個邊的中點沿45度角撞入，從相臨邊中點附近撞出，假設(shè)飛機撞入結(jié)構(gòu)外筒后其殘骸寬度為8m（機翼易于折斷），從平面幾何關(guān)系可判斷：飛機僅撞斷了承擔豎向荷載的核心框架47根柱中的1-3 根 ，撞擊損毀對結(jié)構(gòu)倒塌并無大的影響。23 爆炸損毀推斷 根據(jù)理想狀態(tài)下熱平衡可推斷出爆炸共釋放熱量為1.231010J ,爆炸溫度為2525 ，由于外墻、窗戶和隔墻的強度比梁、柱小得多，可視為泄壓面積 。泄壓比：0.08 我國規(guī)范要求泄壓比：0.05-0.22 推斷：爆炸發(fā)生后，由于外墻、窗戶、隔墻首先破壞，使高壓氣體得以泄放，室內(nèi)爆炸壓力減小，主體結(jié)構(gòu)未受到實質(zhì)性破壞。 24 火作用推斷 241 溫度-時間曲線 242 內(nèi)部框架柱溫升計算 假定: （1）保護材料外表面溫度為室內(nèi)氣體的平均溫度，內(nèi)表面為鋼材溫度； （2）鋼柱截面上溫度均勻分布 ；（3）火場輸入構(gòu)件的熱量用以提高構(gòu)件自身和保護材料的溫度，不計其它熱損失； （4）保護材料厚度內(nèi)溫度線性分布 ；（5）保護材料隔熱性能沒有大的變化 ；（6）保護材料在爆炸壓力作用下部分脫落。 取1m長柱為研究對象 ，溫升計算差分方程 煙氣對鋼構(gòu)件的相當黑度 0.33 石棉水泥（噴涂或板材）取其密度為 940kg/m3 厚度為0.03m 243 鋼柱承載力計算 2.5 倒塌推斷 取柱子在火災時的實際重力荷載（考慮人群的疏散）和溫度共同作用下的截面應(yīng)力與常溫設(shè)計荷載下的應(yīng)力之比即應(yīng)力系數(shù)為0.7；柱表面的防火保護材料脫落面積小于20%，柱子在62min時不會失效； 當防火保護材料脫落面積大于30%時，62min時柱肯定失效； 當某一根柱失效后，通過剛度較大的樓蓋向相鄰柱卸載，從而加速了相鄰柱的失效； 當樓層大部分柱失效后，上部共29層荷載將向下塌落，其沖擊荷載的動荷系數(shù)經(jīng)計算為8.08； 81層柱失效后，其上部的共29層荷載相當于柱設(shè)計軸力的倍作用于80層柱頂；如此巨大的荷載迅速使80層群柱壓潰；下落的荷載又向下繼續(xù)沖擊，導致整個大樓逐層倒塌。 對世貿(mào)大樓的倒塌作如下推斷： （1）由深梁密柱組成的強大外筒使飛機機翼毀壞，撞擊面積大為縮?。ㄓ梢碚箤?7.57m，高為15.85m縮小到直徑為5-8m的殘?。?，從而有效保護了內(nèi)部的豎向承重框架，結(jié)構(gòu)沒有當即倒塌，為成千上萬人的逃生贏得了時間。 （2）爆炸沖擊波雖未對豎向承重框架造成實質(zhì)性破壞，但對柱的防火保護層破壞嚴重，使其耐火性能顯著降低。 （3）倒塌的直接原因是核心區(qū)框架柱防火保護層局部失效，高溫作用下鋼材強度大幅度降低。 （4）如果防火保護層沒有脫落或脫落面積小于20%，大樓在62min內(nèi)不會倒塌。 3、建議 （1）外筒內(nèi)框架體系是較好的結(jié)構(gòu)型式；外筒仍用鋼結(jié)構(gòu)為好，并應(yīng)加強其強度和剛度，以此作為抗沖擊的第一道防線。 當遭受撞擊時，由深梁密柱組成的外筒以其強大的變形能力和韌性吸收大量的撞擊能量。相反，內(nèi)筒外框架體系使豎向承重結(jié)構(gòu)暴露在外，抗沖擊性差，不應(yīng)采用。 （2）強化內(nèi)框架豎向承重體系的耐火性能 作為主要豎向承重體系的內(nèi)框架，其