Project 1世贸大楼倒塌事故的调查与原因分析

世贸大楼倒塌事故的调查与原因分析

尹航（6123310701），刘嘉磊（6123310702）

摘要：

美国纽约世界贸易中心在911事件中的倒塌不仅造成了巨大的人员、财产损失，也对全世界范围内土木工程设计产生了重要影响。本文通过参考多方调查数据以及对于大楼受爆炸冲击、火灾影响的数值分析，得出结论：“9·11”恐怖袭击事件造成纽约世贸大楼的内部竖向承重钢结构的防火保护层在爆炸中严重脱落，火灾高温使钢材强度大幅度降低，导致着火层群柱失稳，上部巨大的冲击荷载把下层柱逐层压，从而引发连续坍塌。最后对超高层建筑的结构从抗爆、耐火等方面提出相关设计建议。

关键词：

世贸大楼倒塌撞击爆炸影响火灾影响超高层建筑设计建议耐火性设计建议1.引言

2001年9月11日，恐怖分子劫持民航客机撞击美国纽约世贸中心双塔楼，随后的爆炸和火灾使大楼坍塌，造成3000余人死亡或失踪，经济损失无法估计。“9·11”事件留给人们无尽的思考，也给今后超高层钢结构设计带来严峻挑战。分析与总结人类用如此巨大的代价换来的教训与经验，对今后超高层钢结构设计具有重大意义。

2.世贸大楼倒塌事故的调查

美国国家标准技术研究所承担了本次事故世贸中心大楼倒塌原因的主要调查工作，经过了将近两年的时间于2004年6月19日发出总结报告：世贸大楼的设计者当初可能对该建筑的风力荷载量严重估计过低，导致大楼抵抗袭击的能力下降。同时塔楼打防火涂层和灭火设施未达到标准，没有对火灾达到良好的遏制，飞机撞击大楼后，世贸大楼内大火温度高达1093℃，所以即使是铜铸铁打也不能不塌。大火之所以摧毁大楼，是由于楼内的防火和灭火设施靠不住。在正常情况下，大楼的灭火系统应该可以控制火势。但是，飞机撞击损坏了楼内的防火层，切断了部分水管，碎屑粉尘堵塞了洒水装置，导致洒水装置无法运作，大火完全失控,使得火灾成为大楼坍塌的主要原因。下面是关于世贸大楼及911事件的调查数据统计：

2.1世贸中心工程概况数据

纽约世贸中心建成于1973年，由两栋110层的方形塔楼和裙房组成。塔楼地上部分为110层，高417m。平面尺寸为3.5m×63.5m，服务性核心区平面尺寸为42m×26.5m。标准层层高为3.66m。塔楼采用钢框筒结构体系。四周为密柱深梁型框筒，主要抵抗水平荷载。框筒由240根钢柱组成，柱距为1.02m（9层以上），柱截面为450mm×450mm 方钢管，其壁厚沿高度不等。窗裙梁截面高度为1320mm。框筒立面开洞率为24%。大楼底部（8层以下）三柱合一，柱距加大到3.06m，柱截面放大到686mm×813mm。内部核心区为47根钢柱组成的框架，用以抵抗竖向荷载。核心区的一般柱截面为450mm×450mm钢管。结构的外露表面喷涂石棉水泥进行防火保护，其厚度为30mm。

2.2飞机撞击情况数据

双塔楼南楼的撞击点在78～84层，62min后坍塌；北楼撞击点在93～98层，103min 后坍塌。撞击北楼的波音757飞机参数：机身最大宽度3.8m，翼展38.05m，机高为13.56m，最大起飞重量1111320N，最大载油量42600L，巡航速度917km/h，最大载客178～239人，机上实际载客92人。撞击南楼的波音767飞机参数：机身最大宽度5.03m，翼展47.57m，机高为15.85m，最大起飞重量1560258N，最大载油量51130kg，最大油量航程为9530km，最大巡航速度898km/h，最大载客269人，实际载客65人。现以遭到撞击首先坍塌的南楼为例进行粗略分析。假设飞机实际质量为120000kg，速度为700～

800km/h，则撞击动能约为（2.27～2.96）×109J。虽然结构的变形能和被撞断的梁、柱的冲击功可粗略估计，但飞机残骸的剩余动能、机体毁坏耗能以及转化出的热能、声能很难估计。由于飞机从大楼一个边的中点沿45度角撞入，从相邻边中点附近撞出，假设飞机撞入结构外筒后其残骸宽度为8m（机翼易于折断），从平面几何关系可判断：飞机仅撞断了承担竖向荷载的核心框架47根柱中的1～3根。

2.3世贸大楼倒塌的影响

根据纽约市政府统计，世贸中心倒塌造成损失67亿美元，计算机及其它办公设备共计损失120亿美元，重建大楼将耗资53亿美元，纽约市政府还要花费110亿美元用来安抚数千名遇难者家属。并且由于这次的灾难事件，造成了以后长时间周边和世界经济的恶劣影响。

3.世贸大楼倒塌事故的原因分析

3.1世贸大楼结构

美国纽约世界贸易中心世贸大楼的结构属于“筒中筒”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。

3.2火灾发生原因及全过程

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，直到当天晚22：28，大火燃烧了1h43min后世贸大楼北部塔楼才倒塌。继第一架飞机撞击后15min第二架飞机撞击于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世界贸易中心大楼，机上燃油消耗很少，几乎将它们的满满一箱的优质航空煤油都撒到了大楼里，燃起了熊熊大火。

3.3世贸大楼倒塌原因及全过程

在烈火燃烧下，两侧外围承重的钢柱软化，其核心部位——电梯井已失去作用（有