发信人: zmy (流星雨), 信区: DC
标  题: Re: 请问学结构的同学们，世贸倒塌的真正原因是什么！
发信站: BBS 水木清华站 (Wed Sep 12 20:05:13 2001)

倒塌主要是因为大火，光是撞击不足以造成倒塌
钢结构耐火性差，当温度为400°C时，钢材的强度将降至原强度的一半，达到600°C时
，钢材基本丧失全部强度，结构失去承载力。而多高层建筑火源多，火灾荷载密度大，
很容易发生火灾，因此，钢结构防火极为重要.

【 在 bruin (bruin) 的大作中提到: 】
: 钢结构怕火
--



发信人: macrecute (马可), 信区: DC
标  题: 整理了一下倒塌的真相（转载）
发信站: BBS 水木清华站 (Wed Sep 12 20:21:15 2001)
发信人: GunAndRose (恋爱中的成吉思汗), 信区: Bridge_Engnr
标  题: 整理了一下世贸大厦分析的结果，仅供参考
发信站: 同舟共济 (2001年09月12日20:00:41 星期三), 站内信件

我们首先看看世贸大厦这个高层结构的构造特点。
1、世贸大厦是钢结构，他的特点是开间比较大，即柱子之间的间距比较大。这种结构的
特点是柱子的承载负担比较重，一旦柱子出现问题，很容易影响全部结构的荷载分布情
况；
2、钢结构的一个弱点是在高温的作用之下很容易失去承载能力，尤其是在飞机上的汽油
发生爆炸之后，巨大的能量形成的高温是钢结构很快就进入屈服，发生塑变流形，位移
突然间变大；
3、钢结构由于刚度比较小，在飞机和爆炸压力的冲击下，构件很容易发生混凝土结构可
以避免的变形甚至于失效。

我们设想一下：在世贸大厦办公的人们，也许正在品味咖啡，也许正在打着哈欠，也许
还是在刚刚翻开一天的工作安排……突然间看到 BOEING 757 的机头冲了进来，机头由
小变大，一下子冲了过来。

接着是一声巨大的爆炸声，高温火球吞噬了周围的一切，钢结构的柱子在烈火的
炽烤之下，开始屈服，进入塑变平台区。

接着是巨大的屋顶倾斜坍塌，整层的柱子开始压溃，发生第二类失稳。楼顶平台以一个
G的加速度向自己的头上砸了过来。

"接着就是一个完全清净的世界"。

一层的柱子倒塌引起了上层结构的下落，在经过了一个层高（大于 4 米）的加速之后，
向下一层俯冲，能量是：
          0.5 ×Mi×V^2
根据冲量定理：
          F * t = Mi×V      (t--> 0)
      Then: F---> 无穷大。
在如此巨大能量和作用力的冲击之下，底层钢结构的承重柱迅速失稳，引起了多米诺骨
牌一样的效应。

这就是我们工程界在上世纪七十年代进行结构设计时没有考虑到的除使用状态和承载力
极限状态之外的另外一种极限状态：
                " 连续倒塌极限状态 "！
这样的一种极限状态，他的机理是结构的一部分倒塌引起的结构的连续失效。这是一种
比较复杂的极限状态，因为它涉及到多种失效模式： 包括稳定、强度、以及偶发事件的
巨大影响。工程界对这样的一种极限状态至今还没有一种完整的考虑方法。

这样的一种极限状态有点类似于连拱的破坏，即由于水平推力的平衡被破坏之后，没有
一种有效的预防倒塌的防御机制。

奇怪的是，在结构发生爆炸冲击之后，消防队员到结构物内救火，竟然没有结构专家采
取一定的防范措施，警告结构的连续倒塌。

或许这只是一个社会责任的问题，消防队员与警察的救助是一个社会的功能。






发信人: okito (okito), 信区: DC
标  题: 纽约世贸大厦倒塌原理述评(转自同济)
发信站: BBS 水木清华站 (Thu Sep 13 17:49:37 2001)

发信人: fuan (幽灵), 信区: Bridge_Engnr
标  题: 纽约世贸大厦倒塌原理述评
发信站: 同舟共济 (2001年09月13日00:40:19 星期四), 站内信件

前面几篇帖子，从力学直观上初步解释了纽约世贸大厦的倒塌机理。事实上，寻找结构
破坏的力学机理必须抓住倒塌过程的几个主要外部表现：

1.两座大楼破坏过程均表现为竖直"多米诺骨牌"式的"向下逐层"坍塌；
2.结构破坏顺序不同，先被撞的大楼撞击位置在上部，后被撞的大楼的撞击位置在中上
部，虽然两座大楼被撞时间相差18分钟，但后者先于前者坍塌，即后被撞的反而先倒塌
。

显然任何合理的解释都必须能说明上述两个主要现象。G&R以及后来Waller转载的一篇贴
子均提到了飞机爆炸引起的大火，使钢结构承重柱的材料进入屈服，进而失去承载力，
使撞击位置的楼层首先坍塌，之后整体结构下落产生的巨大向下冲击力，撞击位置下面
的迅速失稳，而随之接连屈曲破坏。Waller转载贴子，同时解释了倒塌顺序的产生原理
：即后倒塌的大楼，撞击位置较低，受力结构的层压力大，因而首先进入破坏状态。

可以说这两篇贴子的初步解释都能符合大楼的倒塌外观过程，可以认为是给出了较合理
的力学解释。

G&R同时提出了"连续倒塌极限状态"的问题，其实这在结构安全度领域属于系统可靠度中
的串联体系问题，所谓串联体系是指，体系中任何构件的破坏都将导致体系的破坏。它
的对立面是并联体系，即只有体系中的所有构件均失效，才能使体系失效。通常并联体
系的结构性能（可靠度）要优于串联体系，纽约世贸大楼的失效事件可以认为属于串联
体系，这也就难怪它如此脆弱。

好了，以上就总结这么多，欢迎大家继续踊跃探讨。




发信人: okito (okito), 信区: DC
标  题: Re: 纽约世贸大厦倒塌原理述评（转自同济）
发信站: BBS 水木清华站 (Thu Sep 13 17:50:41 2001)

发信人: blackkey (阿开), 信区: Bridge_Engnr
标  题: Re: 纽约世贸大厦倒塌原理述评
发信站: 同舟共济 (2001年09月13日15:36:41 星期四), 站内信件

偶来提几个不同意见：
1 两座大楼破坏过程均表现为竖直"多 着倒 牌"式的"向下逐层"坍塌；
~~~~~~~
这就说明不会是结构的整体失稳导致的破坏，因为这样的话，结构会倾斜的倒塌，从图
片看，很多外框的深梁发生了破坏--因为不是很清楚，但我觉得是断裂的破坏，非构件
的局部失稳破坏。

2.结构破坏顺序不同，先被撞的大楼撞击位置在上部，后被撞的大楼的撞击位置在中上
部，虽然两座大楼被撞时间相差18分钟，但后者先于前者坍塌，即后被撞的反而先倒塌
。
~~~~~~~~~~~
倒塌的先后，有可能不仅仅是因为撞击的位置造成的，也许会有2次破坏的影响，但是可
以肯定的是上层堆载的影响是很大的，我觉得撞击位置的影响还可能在于某些动力的影
响，现场的目击者感觉结构的晃动很厉害，在这个结构的头几阶振型中撞击点正好位于
最大位移附近，有可能激起结构的响应，加上爆炸的能量，钢结构的小阻尼，振动的影
响不可忽视。尤其对于70年代的钢结构，容易引起，节点的破坏，楼板的失效，大大削
弱了结构的刚度。

3 G&R同时提出了"连续倒塌极限状态"  的问题，其实这在结构安全度领域属于系统可靠
度中的串联体系问题，所谓串联体系是指，体系中任何构件的破坏都将导致体系的破坏
。它的对立面是并联体系，即只有体系中的所有构件均失效，才能使体系失效。通常并
联体系的结构性能（可靠度）要优于串联体系，纽约世贸大楼的失效事件可以认为属于
串联体系，这也就难怪它如此脆弱。
~~~~~~
说世贸大楼是脆弱的，我不同意，开始我听说塌的时候，都不感相信，因为对于这么高
柔的建筑，让它倒塌是很困难的事情，先不说设计时候会考虑多少儿外载荷，单就这种
体系本身来说也是很出色的。说他是串联体系，就更是无从谈起。串联体系指的是缺陷
敏感性体系，典型的有压杆设计网架，网壳，张拉集成体系等等，对于我们一般的框架
框筒，极少出现由于一根构件破坏而整体破坏的现象---除非是底层主柱的失效，这次的
倒塌显然不是。框筒的一个显著性质就是"剪力滞后"，水平载荷下，一层的柱轴力分布
不均，如果说框架结构还会出现层间破坏引起的倒塌的话，框筒结构就不会，因为，框
筒结构总会在内部保持一个弹性内核，不会一层柱子全部屈服而形成机构。

4 火的影响。
不可否认，钢结构对于火的忌惮，但这次火只是在上部燃烧，而且时间只有1个小时，所
以我觉得火不是主要的倒塌原因，最多起了推波助澜的作用。如果真是火引起屈服，软
化，进而倒塌，那么结构的破坏模式肯定是稳定型的，要么倾斜，要么扭转（很少见，
但确实存在）。所以我觉得破坏主要是因为振动引起的节点和楼板连接的失效，堆载的
效应加重了梁柱连接和楼板的破坏，最后由于自加速的过程不可抑制，最终引起了结构
的倒塌。强度的破坏才会导致这样的破坏模态。
如果要验证的话，可以到现场采集一些破坏的构件，如果是中上部的构件（主要
是梁），破坏的截面应该分为两个部分，一部分断面会很光滑，剩余的比较粗糙，下部
构件的断面基本都是粗糙的。




发信人: roadlover (为了忠诚背叛), 信区: DC
标  题: Re: 纽约世贸大厦倒塌原理述评（转自同济）
发信站: BBS 水木清华站 (Thu Sep 13 19:38:25 2001)

讨论么，呵呵，不一定谁对谁错。我以前做过钢框筒的动力分析，现在正在做钢结构的
断裂分析，一点想法而已。
1 关于稳定
我说的是结构不可能是整体失稳的破坏，但是不涉及是否单个构件会出现失稳，从概念
上讲，稳定是很宽的定义，我只是说WTC不是由于结构的整体失稳导致的倒塌，因为那样
，必定会出现，受力方向外的位移，也就是说建筑物不会直直的塌落。必然会倒向其他
方向。所以他的破坏必然是整体的强度破坏--不排除某些构件失稳。

2 关于断裂
一般认为钢结构的材料性质很好，不会发生断裂，实际上确实如此，但是在美国1994年
的northridge地震中发现了很多节点断裂的事例，有的甚至发生了钢结构的倒塌。后来
研究发现，美国使用的节点构造形式存在问题，容易引发断裂，我不清楚WTC使用的是什
么节点构造，不过那时建造的钢结构大都采用这种。

3 振动的影响
飞机的重量确实很小--与建筑比。但是它的速度很大，能量很大，如果作用得当绝对可
以引起结构的相当的振动，我不是抹杀恐怖分子的智商，相反我甚至怀疑是否有人支着
呢。如果你做过高层分析，甚至不用作过，只要画出悬臂柱的头3阶振型，半波的，全波
的。你就可以大概估出最大位移的地方。我的估计是1振型，顶部，--2振型，结构3/4高
处。我估计它的周期在9秒左右。这样它的震动会持续相当的时间。

4 内筒
内筒的弹性内核为什么会脆性的破坏。单靠上部的那些载荷估计作不到，因为设计时候
肯定会考虑到一些富裕量。只有在自重的压力下才会崩溃。所以我很怀疑是否有2次爆炸
。或者是建筑物内部的爆炸。





发信人: woodslin (我是woods), 信区: DC
标  题: Re: 纽约世贸大厦倒塌原理述评（转自同济）
发信站: BBS 水木清华站 (Fri Sep 14 13:21:09 2001)

我认为，要造成这样的破坏不需要二次破坏。

由于目前的高层研究着重于抗震的研究，属于水平作用力下的结构反应。在水平力作用
下，筒、墙、柱、梁是主要因素，楼板是次要因素。但是这次的倒塌是从上到下的破坏
，和水平力没有什么关系：楼板的破坏在该种破坏中是最重要的因素。

一、对水平作用力的说明：
撞击造成的震动和摇摆在房屋倒塌的时候应该已经衰减消失了。如果飞机发生爆炸，也
是在房子内部，爆炸点离刚度中心很近，加上窗户空洞对爆炸力的卸载，我认为爆炸对
竖向的作用远大于横向水平作用。由于水平作用造成的效果是结构在垂直方向的不对称
，但从结构竖直破坏来看，几乎没有发现往哪一边倾覆的现象。（在倒塌开始的时候，
先倒的楼有向外偏出的情况，那是由于撞击造成的损伤不对称造成的，在下部没有出现
类似情况）

二、我设想的竖向连续倒塌机制：
是以前说的一个上海无梁楼盖多层房屋倒塌的例子提醒了我。假想：如果由于堆载使整
个楼板的荷载都超过设计值数倍将发生何情况？楼板毫不例外的要全部失效。引起梁板
破坏的原因很多，光举一个例子：冲切（剪力破坏）。我们在算有梁楼板的时候不算冲
切的，但是在很大堆载情况下，可能结构根本不满足冲切要求、或者是剪力要求。该楼
是钢梁压型钢板组合楼盖，在几种受力情况中，最顽强的应该是其受拉性能。梁板总有
一部分先发生破坏，当连续梁发生局部破坏后，对柱子最不利的受力情况是顶部水平方
向的拉力。（这时候已经破坏脱落的梁板已经不能提供对等的拉力来平衡了）因此该层
就完全破坏了，破坏性的荷载加大地作用到了下一层。以下类推。（实际的情况可能同
时在一两层间交错发生）

三、钢材的脆性破坏
我们都认为钢材的延性很好。但是在美国地震中就出现了钢节点的脆性破坏。这提醒我
们一点：注意加载的速率。或许我们要关注的是钢材的冲击韧性，谁研究过在倒塌似的
加载速度和荷载大小下钢材（尤其是节点）的韧性？
欢迎大家指正。






发信人: halifax (抗震王子), 信区: DC
标  题: 世界贸易中心大厦倒塌机制综述(转自同 们帕 系版)
发信站: BBS 水木清华站 (Sun Sep 16 10:40:36 2001)

                  世界贸易中心大厦倒塌机制综述

   自从世贸大楼倒塌事件以来，偶每天都到同济桥梁系版看大家对此次事故的评。今天
偶也来说点，顺便给大家做个综述：）

   首先我想说"二次爆炸"理论并没有明显的证据，而且不能对二次爆炸的规模做出估计
，所以我在分析中姑且认为不存在这次爆炸。

   下面我来做一个世界贸易中心大厦倒塌的全过程分析，请大侠们点评：
   美国东部时间9月11日上午8时45分，一架波音767飞机（载燃油30吨）撞上了世贸中
心南楼的上部（偶估计在上部1/8处），18分钟后，又有一架波音757飞机（载燃油45吨
）撞上了世贸中心北楼（有天线塔的那栋）的边角处。两架飞机均钻入了大楼内部并爆
炸起火。可以想象，既然飞机穿过了密柱深梁的外框架，也肯定就能滑过从外框筒到内
框筒这短短的10余米的距离，最后一头撞在内筒壁上爆炸起火，内筒壁也被撞出一个大
口子，几十吨的航空汽油撒满了整个楼层。大楼核心部分温度很快就达到了1000度以上
的高温，整个楼层烈焰腾腾，外框筒的箱形柱也在强烈的热辐射下超过了250度（蓝脆区
段），外柱也变得很脆。由于外冷内热，外柱开始向外部弯曲。经过一个多小时的燃烧
后，与受撞楼层相邻的几个楼层（特别是内框筒）都达到了很高的温度。量变积攒成了
质变，10点左右，南楼首先开始倒塌。倒塌是从被撞击的楼层开始的，由于内框筒被撞
了一个大洞，所以该层内框筒好象是个开口的薄壁杆件，抗扭能力显著下降，加上大火
的影响，内框筒开始失稳，大楼结构的竖向受力体系开始坍塌，上部1/4结构带着速度不
大，但质量很大的动量冲向下部结构。担负竖向受力体系的内框筒由于大火的影响产生
失稳破坏，而大楼的楼面结构是支托在内外筒壁之间的钢桁架上的，于是担负水平受力
体系的外框筒在钢珩架的拉拽下也向内坍塌，从外表上看就象是定向爆破的效果一样。

在经过几层因高温而薄弱的内框筒失稳破坏而加速之后，原来完好的内框筒也不可能抵
抗如此强大的冲量，整个大楼的倒塌已经不可避免了。多米诺骨牌效应开始发挥作用。
以下的破坏应该是强度破坏。10点29分，北楼开始倒塌。就这样，曾经世界第一的摩天
楼倒下了，粉碎的混凝土楼面造成的烟尘形成了一蘑菇云。


   下面我再对几位大侠的说法提出些想法。

blackkey认为，大楼自上而下的逐层倒塌正说明结构没有发生整体失稳。
*我以为，大楼没有也不可能发生整体性的失稳，因为整体性失稳是由于整个压弯结构刚
度很小或压力很大以及受压偏心距很大造成的 。但这里一架100多吨的飞机还不足以改
变这几点。所以结构不是发生了整体失稳，而是内框筒的局部失稳加上多米诺骨牌效应
造成了这一切。

GunAndRose认为，第二架飞机撞在了北楼的边角处，由于框筒结构的剪力滞后效应
，角部承载的应力相对来说较大，所以相对第一次撞击来说，第二次撞击造成的破坏更
大而导致了北楼反而先倒塌。
*我以为，飞机撞击的位置是在大楼的中上部，而剪力滞后效应引起的柱轴力分布不均匀
是随着框筒高度的增大而趋平缓的。在撞击的这个高度上分布已趋一致了。而且世贸中
心的密柱深梁体系、方型平面也是减少剪力滞后的一种有效措施。所以，世贸中心两楼
的倒塌顺序应该不是由于这个原因。具体的原因或许按照Waller转载的帖子上说的：后
倒塌的大楼，撞击位置较低，受力结构的层压力大，因而首先进入破坏状态。但倒塌的
先后顺序应该是由多种因素决定的，相差时间也不是很长，所以也没必要在这个问题上
深究。

   另外我想说的是，恐怖分子选择这个高度撞击是不是还有其它的道理。比如说，在第
78层，也就是大概距地面7/10处有大楼的电梯转乘大厅。前面我转载的文章里已经介绍
过了："世贸中心在高程上划分为三个区段，将第44层和第78层辟为电梯转乘之处，称为
空中大厅。大楼中有一些电梯从底层分别直达第110层、第78层和第44层。其余的电梯分
别行驶于三个区段之内。…… "，大部分电梯都是局部区段的电梯，它们的滑轮组就设
置在第78层这个部位。所以如果撞击比较准确，可以造成撞击点上部的人下不来，下面
直到44层的人也下不去了。人员伤亡会更大。另外，撞击大楼下部也不是没有可能的。
因为世贸大楼毗邻海湾，从西部冲击还是又可能的。恐怖分子可能是考虑到角度太刁钻
，而且下部柱子截面整整比上部大一倍，可能难以钻入楼内爆炸而取消了这个方案的。

   这次倒楼的启示：
GunAndRose提出了"连续倒塌极限状态"的概念，我觉得很对，但他想把这个概念和承载
能力极限状态和正常使用极限状态并列就不太对了。因为现在《规范》中的这两种极限
状态是对单个基本构件来说的，而不是针对结构。在《规范》中不可能针对某一个特定
的结构来定出"连续倒塌极限状态"的功能函数和极限状态方程，以及做可靠度分析。这
种"连续倒塌极限状态"只能在一些重要的结构中来独立分析考虑。不光是撞机这样的偶
然事件可能造成"多 着倒 牌"式的整体毁坏，我觉得很多情况下都可能发生。比如说地
震。大家都见过这样的图片，就是地震后底部框支的剪力墙结构整体坐在了毁坏的下部
框架上。但是如果某座高层在地震中结构上部有某个比较柔弱的层先发生破坏，就很可
能会导致与这次"偶然"事件相同的多米诺骨牌式倒塌。所以研究这种倒塌机制是很有必
要的。


感谢GunAndRose、fuan、blackkey、foot、waller、tjmm。本文引用了很多你们的观点
。