土木工程材料铝合金制品

2023-09-01 理论教育版权反馈

【摘要】：设计负载限制为32 t，建成后交通流量逐年增加，从而造成超常负荷，倒塌时负载为43.2 t。美国东部时间9月11日10：37：载有45位乘客的联合航空公司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80英里以外地区。图7.14 纽约世贸中心大楼倒塌现场倒塌原因。本次撞击大楼的波音757飞机起飞重量104 t，波音767飞机起飞重量156 t，它们的飞行速度约每小时1 000 km。

（1）铝合金门窗

按结构和开启方式，铝合金门窗分为：推拉窗（门）、平开窗（门）、悬挂窗、回转窗、百叶窗、纱窗等。按其抗风压强度、气密性和水密性三项性能指标，将产品分为A、B、C三类，每类又分优等品、一等品和合格品三个等级。

（2）铝合金板

铝合金板主要用于装饰工程中，品种和规格很多。按装饰效果分，有铝合金花纹板、铝合金波纹板、铝合金压型板、铝合金浅花纹板、铝合金冲孔板等。

【工程实例分析7.2】

韩国汉城大桥倒塌

【概况】1994年10月21日，韩国首尔汉江圣水大桥中段50m长的桥体像刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由某国最大的建设产业公司之一的东亚建设产业公司于1979年建成。

【事故原因分析】调查团五个多月的各种试验和研究表明，事故由两方面原因造成：一是东亚建设产业公司未按图纸施工，施工中偷工减料，使用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因；二是当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32 t，建成后交通流量逐年增加，从而造成超常负荷，倒塌时负载为43.2 t。

【拓展与延伸】

一、事件背景

美国世贸中心大楼倒塌原因分析：

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8：45：载有92位乘客的美国航空公司波音767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9：03：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9：43：载有64位乘客的美国航空公司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10：05：世贸中心南楼轰然倒塌。

美国东部时间9月11日10：28：世贸中心北楼轰然倒塌。

美国东部时间9月11日10：37：载有45位乘客的联合航空公司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80英里（1英里折合1.609 3 km）以外地区。

美国东部时间9月11日11：34：联航一家从纽华克飞往旧金山的波音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15：25：世贸中心7号楼倒塌。

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、经济两个擎天柱，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。

二、工程概况

纽约世贸中心姊妹塔楼，地下6层，地上110层，高度411 m。设计人为著名的美籍日裔建筑师雅马萨奇，由熊谷组施工，两幢楼的建筑时间分别为1966年、1973年。每幢楼建筑面积41.8万 m2，标准层平面尺寸63.5 m×63.5 m，内筒尺寸24 m×42 m，标准层层高为3.66 m，吊顶下净高2.62 m，一层入口大堂高度22.3 m，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。

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1.02 m，裙梁截面高度1.32 m，外筒立面的开洞率仅为36%。外筒柱在标高11m以上截面尺寸均为450 mm×450 mm，钢板厚度随高度逐渐变薄，由11.5 mm 减至7.5 mm。在标高11m 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 m，截面尺寸为800 mm×800 mm。楼面结构采用格架式梁，由主次梁组成，主梁间距为2.04 m。楼板为压型钢板组合楼板，上浇100 mm 厚轻混凝土。一幢楼的总用钢量为78 000 t，单位用钢量为186.6 kg/mm2，大楼建成后在风荷载作用下，实测最大位移为280 mm。三、倒塌原因分析

纽约世贸中心大楼倒塌现场如图7.14所示。对于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1 h 左右再倒塌？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，研究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。

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图7.14　纽约世贸中心大楼倒塌现场

（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。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。一般能够耐得住飞机撞击的建筑物，只有核电厂以两百年为一个计算周期，可以承担一次飞机的撞击。纽约世贸中心大楼历经30年风雨依然完好。本次撞击大楼的波音757飞机起飞重量104 t，波音767飞机起飞重量156 t，它们的飞行速度约每小时1 000 km。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℃以下钢材性能变化不大，在200℃以上随温度升高弹性模量降低，强度下降，变形增大。500℃时弹性模量为常温的50%，700℃时基本失去承载能力。本次撞击北楼的波音767飞机装载51 t 燃油，撞击南楼的波音757飞机装载35 t 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 mm×450 mm，钢板厚度仅为7.5~ 11.5 mm，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，但不会进入楼内引发火灾，本次灾难也许能够幸免。

【复习与思考】

①钢与生铁在化学成分上有何区别？钢按化学成分不同可分为哪些种类？土木工程中主要用哪些钢种？

②试述钢中含碳量对各项性能的影响。

③什么称为钢材的屈强比？其大小对使用性能有何影响？

④钢材的冷加工对性能有何影响？什么是自然时效和人工时效？

⑤低合金高强结构钢与碳素结构钢有哪些不同？

⑥试说明Q235C与Q390D所属的钢种及各符号的意义。

⑦热轧钢筋按什么性能指标划分等级？说明各级钢筋的用途。

⑧对于有冲击、震动荷载和在低温下工作的结构应采用什么钢材？

⑨试述铝合金的分类及铝合金在建筑上的主要用途。

⑩ 从新进的一批钢筋中抽样，截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服极限荷载分别为42.4 kN、41.5 kN；抗拉极限荷载分别为62.0 kN、61.6 kN，钢筋实测直径为11 mm，标距长度为60 mm，拉断时的长度分别为66.0 mm、67.0 mm。请计算该钢筋的屈服强度、抗拉强度及伸长率。

练习题

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