911倒塌大楼焊接调查.doc

美国世贸大楼埋弧焊缝的特性：来自大楼倒塌后钢结构件的调查前言对美国世贸大楼外支柱受撞击损坏和未受损坏的焊缝进行了测定这些将不同钢板连接成箱形柱的角焊缝，基本上均采用埋弧焊焊成从未受损的接头特性显示，所采用的焊接工艺与当时的标准是相适应的没发现可见的表面裂纹和表面下缺陷焊缝的冲击损坏包括飞机撞击时的初始爆燃及穿透焊板的热影响区（HAZ）这些损坏发生在这个区域，因为钢板的小截面区域和退化的热影响区机械性能的原因（如母材的延展性、韧性），根据观察者的低能量、塑料破坏（很小的板子变薄膜光学和变斜的断裂表面），接头的断裂仅吸收来自飞机撞击能量的很少部分1 介 绍这项由国家标准技术协会（NIST）开展的对世贸大楼的调查，旨在揭示和这场灾难袭击相关的建筑材料、结构及技术条件，从工程学的观点看，确定大楼一号楼（北塔）和二号楼（南塔）相继在飞机撞击后为什么坍塌以及如何倒塌的是很重要的，且将教训供现在和将来的建筑以借鉴，其结果可供以下两点考虑：1、通过大楼的设计、结构及维护改善公共安全；2、修订今天的规范、标准和与这些版本相关的做法作为这项调查研究的一部分国家标准技术协会冶金分会和材料可靠性分会对这些钢材、焊件和接头进行分析，且对钢结构部件损坏和断裂形式进行了评定。

对钢材机械和冶金技术的完整分析报告和其他所有的完整技术报告内容一样，都可在 NIST 的官方网站上获得（http：//www.nist.gov/）要求将外柱箱型材料的高应变率特性引入整个撞击模型中，去测定飞机撞击而造成的损坏程度倒塌前影象显示，撞击区里的外墙柱的断裂多来自机械性：板材大面积变形，接头连接处断裂，支柱和拱肩切断，以及靠近纵向焊缝的钢板断裂需要在这些建模计划中精确地收集每一个损坏形状，去测定外墙吸的能量大小（即：诸如与塑性变形应力相匹配的塑性特性和决定性近似的断裂变形）这种近似法对计算由于高强度飞机部分千万的塔内内部损坏的尽可能分布是是至关重要的最初三个断裂形式的结构特性模拟（板材的大面积变形，接头连接处断裂及支柱和拱肩切断）是比较简单的，因为材料的测试可用来产生机械特性的代表性数据但是，被焊接头的模拟是比较困难的，因为从文献中可获得的有效数据很缺乏和可获的材料也不足特别是在热影响区，要真正说明包含一个广泛的应变率的特性更是困难另外，对柱子的焊接接头所做的试件机械测试是可能的，但不能明确地产生精确阐述完整焊件的特性可以获得的代表性的数据，包括熔敷焊缝的微硬度特性和被损焊件的宏观及显微结构的评估。

到最后，本篇报告表征了外部支柱的未受损的熔敷焊缝的特性，随后的断裂形式代表了飞机撞击的结果，这些数据被用来深入了解焊件的高应变率特性2 基本情况2.1 外墙板同生代的制作规范从大楼第 9 层到 107 层，世贸大楼的第一边外墙都是由紧紧相隔大约 14 英寸组合箱形柱构成，而这 59 根柱从大楼中心到每个墙面的距离为 40 英寸这些相邻柱则是通过深度为 52 英寸的深度拱肩在每一层楼的底板内部相连一般而言，三个完整的柱子连接起来构成一组外墙柱板（如图 1 所示），每组柱板为三层楼（高度为 36 英尺）且在这上面架设 4 层楼板由单独柱子组成这种结构，柱子则由作为凸缘的连续的板子和外部腹板构成（与楼面成直角的板，与楼面平行的外部腹板）而柱子的内面由 7 种不同的板构成（4 片内腹板和 3 片拱肩）在建造外墙期间，柱板与外柱板通过螺栓在柱子的拼接处与拱肩连接处固定起来的更多与该大楼相关的资料可见参考资料2.2 结构钢外部柱板是由含碳量低于 0.002 的低碳合金钢构成，同时采用热轧和淬回大两个级别后者用在有益于提高强度与负荷比的地方（如大楼上层楼面与捌角处的外部柱子）该大楼的几位工程师对用于每一片结构的钢材规定了最小额定屈服强度（Fy）。

例如 50-ksi钢是指每平方英寸最小屈服强度为 50000 磅的一种钢材结构计划要求外部柱子必须由 12 个 Fy 级别的钢材制作而成（12 级 Fy 分别为36、42、45、46、50、55、60、65、70、75、80 和 100）最初规定附加 2 个级别 85 和 90ksi，但后来被 100ksi 级的钢所取代了每一根柱子由一个级别的钢制成，但一组外柱板应保持高达 6 种不同级别同期的文件显示外柱板的凸缘、外腹板、拱肩板均是一家日本钢铁厂（日本钢铁）生产的而内腹板大多由美国自身提供的可化学分析证明这些各种不同的钢板显微结构特性是相似的2.3 焊接技术与规范从 1967 年 11 月到 1970 年 8 月期间，美国太平洋汽车和铸造公司建造一条 16 个工位的自动生产线，以满足 55800 吨大楼外柱板的使用计划（平均每月约 1500 吨），在满负荷生产时，吊车每天安装焊接材料 2900 磅这种柱板的制作从内面的组装开始，用一个对接接头将拱肩板连接到内柱板（腹板），如图 2 所示完整的接头熔敷焊缝是根据美国焊接学会（AWS D2.0）的要求——高速公路及铁路桥焊接规范选择这个优于大楼结构焊接 D10 的版本的标准，是因为当时 D10标准局限于钢强度低于 60ksi 级的钢材。

在内面制作完毕后，加上凸缘、对接板、隔板和外腹板就完成了整个柱板经过预热后，沿着外柱板长度用埋弧焊熔敷 0.75 英寸角焊缝将凸缘和外腹板连接起来（其角焊缝的大小是按腹板和凸缘厚度来计算的，因此，对于较厚的上层楼板，应小于 0.75 英寸每根柱子采用前后双弧同时焊接，每一道计划完成 6 条焊缝（每个柱板三个柱子）这些焊缝相对于钢板的位置见图 2B 所示然后将该柱板吊起成 90 角，沿它的长度方向完成另外 6 条角焊缝这些大型的角焊缝从离柱端 6 英寸（150mm）处开始，而用手工焊来完成端头的焊接，同时用手工焊完成任何修理当柱子组装完毕，就采用常规的加热方法对变形的柱子进行校直施工后用规定用于世贸大楼中的埋弧焊焊丝是按照美国材料实验室协会 A558 标准，而用于埋弧焊的中碳钢裸焊丝和焊剂标准该标准在 1969 年被取消，被一个等效的美国焊接学会标准 A5.17 所取代（即埋弧焊用中碳钢裸焊丝和焊剂）从 1965 年~1969 年期间是一个过渡时期，这个期间美国焊接学会承担了修订焊接填充材料标准的责任由于该合同是 1967 年签定的，因此似乎是开始制作时采用 1965 美国材料实验协会国际标准 A558-65T 版本（由美国焊接学会 A5.17 65 小组和美国焊接学会联合发布的）。

但是，随着 1969美国焊接学会标准版本的变化，后面的外柱板可能包含了少量的变化3 复原撞击区外墙板通过纽约结构工程师协会和其他同仁的努力，42 块外墙板通过用来表示在塔内建筑位置的结构代码得以复原（见表 1）在这些板中，四块从世贸中心 1 号楼来的板被飞机直接击中，一块位于撞击区，但无相关损坏（板 N -7）（如图 3 所示）从世贸中心 2 号楼没有找回一块遭撞击损坏的板对所有“未受撞击 ”板来说，看得见的外观损害是在建筑物崩塌过程中或之后造成的因而，只检查撞击区的四块受损板来确定在遭飞机撞击的高应变率条件下焊缝的特性此外，应强调观察多重极端情况后这些板上所注意到的损坏和断裂的形式，其极端情况为飞机撞击及伴随的塌前大火、建筑的崩塌及碎石中发生的大火，或随后与复原过程相关的处理观察到的破损可能是任何这些情况同时或单独发生的结果为减少这些数据可能的混淆, 使用以影像视频确定崩塌前有明显损坏的板子部分来表征焊缝接头的特性举个例子，复原后的板 M-2（A130：96-99）与它崩塌前的情形惊人地相似（如图 4A 和 B 所示）该板的较低端被机身的上面部分和飞机垂直尾部稳定器直接撞击崩塌前的影像表明这些柱子在板上多处位置向内折弯。

最明显的弯曲与第 97 层的混凝土板直接相关楼板起到了一个支点作用，所有三根柱子以及拱肩较低部分向建筑物内弯曲 7 呎129 和 130 柱的低对接板（如图 4A 所示）破裂，两个箱体柱的纵向焊缝从对接板到第一拱肩裂开131 柱对接板仍然完好无损，该柱的较低部分未变形，但也向内弯曲复原板上看到的破损性质和崩塌前看到的差不多虽然在崩塌时或在进行复原中对板的处理让 131 柱向后往外弯，但板的较低部分仍残留很大弯曲图 5A 和 B 显示了 129 和 130 柱上破裂的纵向焊缝这些柱上的翼缘变形和板裂缝，如图 5C 所示但是，这些弯曲点附近的焊缝仍然完好，如图 5D 所示4 实验步骤评估样本取自这些柱子，且使用标准技术进行金相准备结合两种溶液显示出显微结构：①4 克苦味酸和 96 毫升乙醇（4%苦醇）；②2 毫升氮酸和 98 毫升乙醇（2%硝酸乙醇腐蚀液）铁晶粒尺寸大小可根据 ASTM 国际标准 E1382-97 来确定使用 Jeffries 平面测量法在纵向板上测量颗粒大小其结果由带有相对精确测定的 ASTM 晶粒尺寸值得出珠光体容量通过在纵向板上使用自动影像分析技术的区域测量来决定。

用于描述珠光体形态的性质术语源自 ASTM 标准 E1268母板内碳的分析采用 ASTM 标准 E 1019 来测定用 ASTM 标准 E415 光发射光谱学进行母板材料其他元素的化学分析焊缝的硬度横截线使用 1kg 载重的 Knoop 压痕器处理根据 ASTM E384，测量放大 200 倍进行为了产生横截线, 首先要把样品蚀刻以显示出焊缝边界和热影响区的位置然后，在测试前把样品再抛光从母材到焊接金属沿着一条直径划出基本轨迹同时沿着焊缝在不同位置打出多个凹槽，以在焊缝边界不同距离产生更多数据点在 Knoop 压痕和测量后，样品再蚀刻, 以显示焊缝结构，并可以准确确定离焊缝边界的凹槽距离5 结束语5.1 母 板墙板 M-2 的三个柱子相似：55-ksi 材料翼缘板厚度为 0.375 英寸，腹板厚度为 0.25 英寸表 2 为这些墙板的化学分析金相检测揭示了所有板都由热轧钢组成图 6A 为展示铁素体—珠光体结构的具有代表性的显微图虽然比在其他 WTC 外柱板钢内的成分少，但还是能看到带状物ASTM 晶粒大小数和容量数珠光体在三块板中是相等的（表 3）板中看到的非金属夹渣在热轧钢中很典型。

当从纵向横截面看时, MnS 夹渣外观是纵向的，如图 6B 所示为保证质量，它们非常薄，均匀分布在整个矩阵中5.2 完整的埋弧焊缝的特征表 1 列出的所有复原的外墙板上未受损坏的焊缝在现场进行了目检，看不到如裂缝、切口或焊瘤诸如此类的表面缺陷焊缝一般都符合尺寸要求，相邻母材表面相对清洁（无飞溅）对接头表面下缺陷进行评定，是通过采用金相分析来进行的为进行此项研究，对翼缘板厚度为 0.375 寸和腹板厚度为 0.25 寸的柱进行了检测从复原的外柱看，有六根柱子均满足这些强度板厚度组合：这些柱子来自墙板 M-2 和 S-9样品从柱子相对完好的区域自取下面的每一个接头类型只显示了一个焊缝的特征；然而，六根柱子上检测的类似焊缝产生的结果一样5.3 内腹板和翼缘间的焊缝图 7 为板 M-2 上部分的内腹板和翼缘间的未损焊缝，从柱 129 上对接板处移动了大约 1m该焊缝是用串联电弧配置在一个焊道中形成的两块板中的热影响区由视力来确定沿着焊缝长度对多块板上的所有样品进行检测，未发现可视下表面缺陷，即焊缝金属内裂缝、母材内裂缝、未完全熔化、不充分熔深和气孔等整个微观结构部分如图 8 所示焊缝材料主要为分布较广、带有粗糙碳化物的针状铁素体，如图 8B 所示。

直接临近焊缝界面的热影响区的微观结构在晶界上有块状和针状两种先共析铁素体，有一个在原奥氏体晶界内的 Widmansta-tten 结构如图 8C 所示贝氏体也可能在高密度碳化物区出现与未受影响的板微观结构相比，在该区域（图 8C）有明显的晶体生长，如图 6A 所示内腹板内的原珠光体也。