• 标题:案例分析:世界贸易中心的钢结构设计 2015/9/13 13:51:14

(磨石建筑)

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案例分析:世界贸易中心的钢结构设计

美国东部时间2001911日上午845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=mvm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/

    P=mv=160000×277.8=44448000
千克·/

    
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/

    P=mv=100000×277.8=27780000
千克·/

       
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

    
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1/51/4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4530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/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。

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不错得资料,学习了
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有优点必然有缺点,不过高层建筑钢结构应用是相当普遍的。
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(CAD7878)

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但是超层建筑除了钢结构,好象还没有更好代替材料。
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(lhkj998)

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高层钢结构目前是最普遍的了
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