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案例分析：世界贸易中心的钢结构设计

发布于：2015-09-13 13:26:13 来自：建筑结构/钢结构工程 [复制转发]

美国东部时间 2001 年 9 月 11 日上午 8 时 45 分，一架起飞重量达 160 吨的波音 767 型飞机，直接撞击纽约世界贸易中心北塔； 18 分钟后，又一架起飞重量为 100 吨的波音 757 型飞机，几乎拦腰撞击世界贸易中心南塔。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 1000 千米 / 小时，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，世界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，飞机撞击世界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：
一、 北塔所承受 767 型飞机撞击的动量
m=160×1000=160000 （千克）
v= （ 1000×1000 ） ÷3600≈277.8 米 / 秒
P=mv=160000×277.8=44448000 千克 · 米 / 秒
二、 南塔所承受 757 型飞机撞击的动量
m=100×1000=100000 （千克）
v= （ 1000×1000 ） ÷3600≈277.8 米 / 秒
P=mv=100000×277.8=27780000 千克 · 米 / 秒
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 1000 吨烈性炸药当量，应该是可信的。

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 3 米， 9 层以上承重外柱间距为 1.016 米，标准层窗宽仅 0.55 米，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 63.5 米的大厦，撞击力量之巨，威力之大，实在令人悚然。
但是，事实上，世界贸易中心却经受住了这等力量的撞击，因为撞击造成的动量，并不是坍塌的决定因素。

烈火中的世界贸易中心

撞击两塔的波音 767 型或 757 型飞机，如果机体直径约计 10 米的话，也就是说，世界贸易中心北塔的 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 45 吨， 757 机型为 30 吨，这些油料霎时倾倒其中，可从具体数据看其惨烈之状。
世界贸易中心边长 =63.5 米
世界贸易中心每层的建筑面积 =63.5×63.5≈4032 平方米
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 3000 平方米不到的面积里，浇灌了 45 ～ 30 吨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。所以被撞击后的世界贸易中心，远远看去，就像两根硕大的烟囱。同时，高达 1000 ℃ 的温度， 钢结构设计 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。
因此，火，火，火，才是世界贸易中心殒落的决定因素。

大厦被撞击后，那里面被飞机蹿空的三层，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 20000 余吨的楼层的重力（以两幢共用钢 19.2 万吨计，加上租赁方的什物就远不止这个数了），在有 10 米高的空间盈余下，夹着 9.8 米 / 秒的加速度作自由落体坠落，重力之下，势如破竹。

在这里，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，造成了世界贸易中心遇袭后的必然结果 —— 坍塌。所以，世界贸易中心只能是坍塌，而不是倒塌。

钢结构设计 的最大缺点是易于锈蚀。新建造的钢结构一般都需仔细除锈、镀锌或刷涂料。以后隔一定时间又要重新刷涂料，维护费用较高。目前国内外正在发展不易锈蚀的耐候钢，可大量节省维护费用，但还未能广泛采用。