[分享]：美国世贸中心大楼倒塌原因分析

Pard

1 引言
2001年9月11日是让全世界震惊的一天，美国纽约和华盛顿及其他城市相继遭受有史以来最严重的恐怖袭击。遭受袭击大事记如下：
美国东部时间9月11日8时45分：载有92位乘客的美国航空公司波音747客机11次航班从波士顿飞往洛杉矶，该机遭受劫持并撞击世贸中心北楼；
美国东部时间9月11日9时零3分：载有65位乘客的联合航空公司波音757客机175次航班从波士顿飞往洛杉矶，该机遭受劫持并撞击世贸中心南楼；
美国东部时间9月11日9时43分：载有64位乘客的美国航空公司波音77次航班从华盛顿飞往洛杉矶，该机遭受劫持并撞击美国五角大楼；
美国东部时间9月11日10时零5分：世贸中心南楼轰然倒塌；
美国东部时间9月11日10时28分：世贸中心北楼轰然倒塌；
美国东部时间9月11日10时37分：载有45位乘客的联合航空公司波音93次航班从新泽西州飞往旧金山的客机坠毁在匹斯堡东南30#英里以外地区；
美国东部时间9月11日11时34分：联航一家从纽华客飞往旧金山的波音757客机在宾州西部坠毁，地点处于纽约与华盛顿之间；
美国东部时间9月11日15时25分：世贸中心%号楼倒塌。
笔者曾于"1996年"10月28日登上世贸中心顶部，为人类建筑史上的这一伟大杰作兴奋不已，当时油然而生的自豪感如今已荡然无存，面对在恐怖事件中世贸中心大楼被毁的照片，不禁令人感慨万千。自火烧圆明园以来，似乎还没有哪一例国际事件与建筑如此相连。矗立在曼哈顿的这两座姊妹大厦，就像支撑美国精神的政治、经济两大擎天柱，就这样倒了，“永恒的纪念碑”竟如此脆弱，“凝固的音乐”结束了近29岁年轻的生命，47个国家成千上万的公民遇难。这使骄傲的美国人太伤自尊，如大梦初醒，也使全世界的建筑界为之悲哀。同时，也给从事钢结构的工程技术人员敲响了新世纪的第一个警钟。
2 工程概况
纽约世贸中心姊妹塔楼，地下6层，地上110层，高度411m,。设计人为著名的美籍日裔建筑师雅马萨奇，熊谷组施工，两幢楼的建筑时间为"1966- 1973年。
每幢楼建筑面积41.8万㎡，标准层平面尺寸63.5m×63.5m，内筒尺寸24m×42m，标准层层高为3.66,，吊顶下净高2.62,，一层入口大堂高度22.3,，建筑高宽比为6.5’。整个世贸中心可容纳5万人工作，每天来办公和参观的约3万人左右。
纽约世贸中心姊妹塔楼为超高层钢结构建筑，采用“外筒结构体系”，外筒承担全部水平荷载，内筒只承担竖向荷载。外筒由密柱深梁构成，每一外墙上有59根箱形截面柱，柱距1.02m,，裙梁截面高度1.32m,，外筒立面的开洞率仅为36%。外筒柱在标高12m,以上截面尺寸均为450㎜x450㎜，钢板厚度随高度逐渐变薄，
由12.5,,减至7.5。在标高12m以下为满足使用要求需加大柱距，故将三柱合一，柱距扩为3.06,截面尺寸为800㎜x800㎜。楼面结构采用格架式梁，由主次梁组成，主梁间距为2.04。楼板为压型钢板组合楼板，上浇100㎜厚轻混凝土。一幢楼的总用钢量为78000t ，单位用钢量为186.6㎏/㎡。大楼建成后在风荷载作用下，实测最大位移为280㎜。
3 倒塌原因分析
纽约世贸中心大楼的完全倒塌，许多人深感困惑。飞机撞击大楼的中上部为何会造成下部倒塌？大楼为何会垂直塌落而不是倾倒？大楼为何在撞击时未立刻倒塌而持续!"左右？北楼先撞为何南楼先塌？大楼的设计或施工是否存在先天性致命缺陷？针对这些问题，笔者通过分析相关资料和电视图像，得出以下结论。
（1）倒塌过程
就大楼的倒塌过程而言，恰似于多米诺骨牌效应，其连续破坏过程可划分为三个阶段：
1飞机撞击形成的巨大水平冲击力造成部分梁柱断裂，形成薄弱层或薄弱部位；
2飞机所撞击的楼层起火燃烧，钢材软化，该楼层丧失承载力致使上部楼层塌落；
3上部塌落的楼层化为一个巨大的竖向冲击力，致使下面楼层结构难以承受，于是发生整体失稳或断裂，层层垂直垮塌。
（2）倒塌原因
就大楼的倒塌原因而言，可谓是复合型的。因为单一的水平撞击或者大楼发生常规性火灾都不可能造成整个结构垮塌。笔者从外因和内因两方面进行分析：
1外因
飞机撞击大楼纯属意外，就形成的水平冲击力而言，纯属不可抗力，可谓百年或千年不遇。纽约世贸中心大楼历经$%年风雨依然完好。本次撞击大楼的波音757飞机起飞重量104，波音767飞机起飞重量156，飞行速度约每小时1000km,。在如此巨大的冲击下，大楼虽然晃动近1m但未立即倾倒，无论内部还是外部并无严重塌落，充分证明大楼原结构的设计和施工没有问题。
2内因
钢结构作为一种结构体系，尤其在超高层建筑中有无以伦比的优势。但耐火性能差是自身致命的缺陷。试验表明：低碳钢在200度以下钢材性能变化不大；在200度以上，随温度升高弹性模量降低，强度下降，变形增大；500度时弹性模量为常温的50%.；700度时基本失去承载能力。本次撞击北楼的波音767飞机装载51t燃油，撞击南楼的波音757飞机装载35t燃油。尽管世贸中心大楼的钢结构采用了防火涂料等防护物，但在如此罕见的熊熊大火面前也无能为力，在爆炸、断电、消防系统失灵、火势无法及时扑灭的情况下，高温将使其不得不软化，最终导致塌落。
另外，世贸中心大楼采用外筒结构体系，该体系存在剪力滞后效应，且外柱截面仅为450㎜x450㎜，厚度仅为7.5-12.5㎜，因此，抵抗水平撞击的能力较差。若采用截面及厚度较大的巨型钢柱、钢—混凝土组合柱或采用约翰·考克大厦的巨型外交叉支撑，也许飞机在撞击时会在大楼的外部发生爆炸，不会进入楼内引发火
灾，本次灾难也许能够幸免。
（3）几点解释
针对前面大家困惑的问题，解释如下：
（1）飞机撞击大楼中上部，之所以下部倒塌，是由于上部楼层塌落后产生巨大的竖向冲击力。
（2）大楼之所以垂直塌落而非倾倒，不是水平冲击力过大导致基础倾覆的问题，而是竖向冲击力导致结构整体失稳或断裂。
（3）大楼之所以在撞击后持续%’左右倒塌，是由于楼层在火灾的作用下钢材软化、防火涂料失效有一个过程。
（4）北楼先撞，南楼先塌。撞击北楼的飞机重量156t，燃油51t，持续1小时 43分倒塌；而撞击南楼的飞机重量104，燃油35，持续1小时零2分倒塌。南楼先塌的主要原因是南楼被撞击的部位较低，且位于外缘并带有撕裂性质。
（））大楼的设计和施工不存在致命缺陷，当今世界上任何一幢超高层全钢结构建筑遭此袭击，恐怕“无一幸免”
4 对未来超高层建筑发展的几点建议
反思纽约世贸中心大楼倒塌的教训，展望未来超高层钢结构的发展，笔者谈几点体会和建议。
（1）本次灾难纯属人为破坏，在未来是否再建造超高层钢结构建筑的问题上，慎重应该，但全盘否定不妥，因为该结构体系具有众多优点。
（2）在未来的超高层建筑中，结构体系的选择值得研究。在全钢结构、钢筋混凝土结构的基础上，重点开发钢—混凝土组合结构，以提高整体延性和抗冲击力。
（3）加大力度开展钢结构防火领域的研究，目前的研究水平主要停留在构件的耐火性能阶段，缺乏整体结构防火的概念。另外，防火措施虽然较多，但业主存在侥幸心理，往往为节省造价，防火做法达不到设计所要求的耐火等级。
（4）超高层建筑的安全性较差，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，人员的疏散、救生是一大难题。应加强救灾领域的系统研究和人员培训。
（5）超高层建筑往往是一个国家或城市的象征，属标志性建筑。一旦兴建不能倒下。因此，在处理安全和经济的问题上，一定要把安全作为重中之重。
（6）超高层建筑中能否引入高科技防御系统和监测系统值得探讨。

Pard

谢谢斑竹了，我会继续支持钢结构的。

benbenboy2002

如果全是混凝土结构,结果会好吗???

eiko

全是混凝土结构应该不会倒塌，但是，用混凝土结构做这么高的楼。。。

dadao2002

混凝土结构能做到55层吗?

Rainieliuna

在全钢结构、钢筋混凝土结构的基础上，重点开发钢—混凝土组合结构，以提高整体延性和抗冲击力，遇到这样百年不遇到的事件也无法支撑的啊。
这样的事件太少，支持钢结构。
防火做法要提高