纽约世贸中心大楼事件反省.doc

纽约世贸中心大楼事件反省 纽约世贸中心大楼事件反省预读: 摘要:推荐杂志：无锡轻工大学学报·文体工业科技玩具世界甜菜糖业天津轻工业学院学报天津纺织工学院学报苏州丝绸工学院学报四川造纸四川丝绸四川皮革少年电世界四川粮油科技纽约世贸中心大楼事件反省范文1工程详细情况描述美国纽约国际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110层,高417m,标准层平面尺寸63.5m×63.5m,每幢楼建筑面积41.8×104m2.美国纽约国际贸易中心世贸大楼的结构属于“筒中筒”（tubeintube）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26m见方的混凝土加上大的型钢构成的电梯系统.而每一层楼面是由很多桁架（trusses）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18m.每条桁架大约有83cm.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一层钢板,钢板上面浇灌了大约15cm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47cm宽,每两根间的距离有55.8cm.这样一来,从外面看,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1.2m高）,用以将柱与柱联系起来.但是因为柱子之间的距离很小,没办法进人,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3m,成为很好的入口处.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4000Pa的风压,这种设计可以使得大楼顶部有90cm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28cm.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4000m2,这4000m2可以任意划分,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10×104t钢、4000m24in厚的混凝土构成,重量是很重的,整栋大楼的重量大约有100×104t.世贸大楼的基础是一个243m×127m,深度为19.8m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1626年英国殖民者从印第安人手中买下来的.1789年华盛顿也是在这个地方担任第一任美国总统的.这个地区从1825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11日晚20:45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757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11日晚22:28,大火燃烧了1h43min后世贸大楼北部塔楼才倒塌.北京时间9月11日晚21:03第二波飞机于撞击世贸大楼的南部塔楼.因波音767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11日晚22:05大火燃烧了1h2min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757飞机大约可载35t燃油,波音767飞机可载51t燃油,由于是从美国东部飞往西部的远程航班,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国际贸易中心大楼,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煤油都撒到了大楼里,燃起了熊熊大火.两座楼均为110层,两架飞机分别撞进北大楼的93层～99层和南大楼的78层～85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20000t的楼层的重力（以两幢共用钢19.2×104t计,加上租赁方的什物就远不止这个数了）,在有10m高的空间盈余下,夹着9.8m/s2秒的加速度作自由落体坠落,重力之下,势如破竹[2].撞北塔的飞机侧翼以45°“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15°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,造成了国际贸易中心遇袭后的必然结果———坍塌[1].因此,火,火,火,才是国际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2000℃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,造成了国际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荷载很多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2001年9月11日上午8：45,一架起飞重量达160t的波音767型飞机,直接撞击纽约国际贸易中心北塔；18min后,又一架起飞重量为100t的波音757型飞机,几乎拦腰撞击国际贸易中心南塔.假设两架飞机的起飞重量是满负荷,再考虑两种机型的速度是1000km/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,在这种条件下,国际贸易中心受到的冲量究竟有多少呢？根据动量的计算公式P=mv,m是质点的质量,v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,飞机撞击国际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767型飞机撞击的动量m=160×1000=160000kgv=（1000×1000）÷3600≈277.8m/sP=mv=160000×277.8=44448000kg•m/s2）南塔所承受757型飞机撞击的动量m=100×1000=100000kgv=（1000×1000）÷3600≈277.8m/sP=mv=100000×277.8=27780000kg•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1000t烈性炸药当量.南北塔是筒中筒结构,核心是47个电梯井（因分段设置,47个电梯井可容104部电梯）,外围是钢柱排列,9层以下的承重外柱间距为3m,9层以上承重外柱间距为1.016m,标准层窗宽仅0.55m,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63.5m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47根钢柱（内筒钢柱）,在距离柱顶1/4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体系.但是,事实上,国际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,国际贸易中心的选材与构造,在防撞击方面,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1m）,都是非常出众的.况且两幢塔楼已屹立近30a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[2].撞击两塔的波音767型或757型飞机,如果机体直径约计10m的话,也就是说,国际贸易中心北塔的80层左右,南塔的60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767机型满挂油料是45t,757机型为30t,这些油料霎时倾倒其中,可从具体数据看其惨烈之状.国际贸易中心边长为63.5m,国际贸易中心每层的建筑面积=63.5×63.5≈4032m2.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3000m2不到的面积里,浇灌了45t～30t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.所以被撞击后的国际贸易中心,远远看去,就像两根硕大的烟囱.同时,高达1000℃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[3].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1825年开始的,是资本主义积累了100a以上而形成的.所以,这个地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、风灾、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,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。