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(guó)紐約世貿(mào)中心雙塔樓，隨后的爆炸和火災(zāi)使大樓倒塌，造成3000余人死亡或失蹤，經(jīng)濟(jì)損失無(wú)法估計(jì)。 “9.11”事件留給人們無(wú)盡的思考，也給今后超高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?？偨Y(jié)人類用如此巨大的代價(jià)換來(lái)的教訓(xùn)與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后超高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(kāi)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(hù)：噴涂石棉水泥，厚度為30mm 22 撞擊損毀推斷 南樓：撞擊點(diǎn)在78-84層，62min后倒塌 北樓：撞擊點(diǎn)在93-98層，103min后倒塌 撞擊北樓的波音757飛機(jī) ：機(jī)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(shí)載92人。 撞擊南樓的波音 767飛機(jī) ：機(jī)身最大寬度 5.03m，翼展47.57m ，機(jī)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(shí)際載客65人 。假設(shè)飛機(jī)實(shí)際質(zhì)量為120000kg，速度為700-800km/h ，則撞擊動(dòng)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(jì)，但飛機(jī)殘骸的剩余動(dòng)能、機(jī)體毀壞耗能以及轉(zhuǎn)化出的熱能、聲能很難估計(jì)。 飛機(jī)從大樓一個(gè)邊的中點(diǎn)沿45度角撞入，從相臨邊中點(diǎn)附近撞出，假設(shè)飛機(jī)撞入結(jié)構(gòu)外筒后其殘骸寬度為8m（機(jī)翼易于折斷），從平面幾何關(guān)系可判斷：飛機(jī)僅撞斷了承擔(dān)豎向荷載的核心框架47根柱中的1-3 根 ，撞擊損毀對(duì)結(jié)構(gòu)倒塌并無(wú)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(qiáng)度比梁、柱小得多，可視為泄壓面積 。泄壓比：0.08 我國(guó)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(shí)質(zhì)性破壞。 24 火作用推斷 241 溫度-時(shí)間曲線 242 內(nèi)部框架柱溫升計(jì)算 假定: （1）保護(hù)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(chǎng)輸入構(gòu)件的熱量用以提高構(gòu)件自身和保護(hù)材料的溫度，不計(jì)其它熱損失； （4）保護(hù)材料厚度內(nèi)溫度線性分布 ；（5）保護(hù)材料隔熱性能沒(méi)有大的變化 ；（6）保護(hù)材料在爆炸壓力作用下部分脫落。 取1m長(zhǎng)柱為研究對(duì)象 ，溫升計(jì)算差分方程 煙氣對(duì)鋼構(gòu)件的相當(dāng)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(jì)算 2.5 倒塌推斷 取柱子在火災(zāi)時(shí)的實(shí)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(jì)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(hù)材料脫落面積小于20%，柱子在62min時(shí)不會(huì)失效； 當(dāng)防火保護(hù)材料脫落面積大于30%時(shí)，62min時(shí)柱肯定失效； 當(dāng)某一根柱失效后，通過(guò)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(dāng)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(dòng)荷系數(shù)經(jīng)計(jì)算為8.08； 81層柱失效后，其上部的共29層荷載相當(dāng)于柱設(shè)計(jì)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(dǎo)致整個(gè)大樓逐層倒塌。 對(duì)世貿(mào)大樓的倒塌作如下推斷： （1）由深梁密柱組成的強(qiáng)大外筒使飛機(jī)機(jī)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的殘骸），從而有效保護(hù)了內(nèi)部的豎向承重框架，結(jié)構(gòu)沒(méi)有當(dāng)即倒塌，為成千上萬(wàn)人的逃生贏得了時(shí)間。 （2）爆炸沖擊波雖未對(duì)豎向承重框架造成實(shí)質(zhì)性破壞，但對(duì)柱的防火保護(hù)層破壞嚴(yán)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(hù)層局部失效，高溫作用下鋼材強(qiáng)度大幅度降低。 （4）如果防火保護(hù)層沒(méi)有脫落或脫落面積小于20%，大樓在62min內(nèi)不會(huì)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(qiáng)其強(qiáng)度和剛度，以此作為抗沖擊的第一道防線。 當(dāng)遭受撞擊時(shí)，由深梁密柱組成的外筒以其強(qiáng)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(qiáng)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