門(mén)式剛架鋼結(jié)構(gòu)廠房施工過(guò)程倒塌分析

崔淑梅 趙志新

1 工程概況

某公司廠房為一兩跨門(mén)式剛架的鋼結(jié)構(gòu)廠房,共19榀剛架,建筑面積10260m2,建筑總長(zhǎng)171m,寬60m,柱距長(zhǎng)邊方向9m,短邊方向6m,檐口高度為6m。建筑分類(lèi)和耐火極限丙類(lèi)二級(jí),建筑抗震設(shè)防烈度為7度,抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi),安全等級(jí)為二級(jí),設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年。梁柱所用的鋼材345B,梁及邊柱均采用變截面H型鋼,梁分為三段。檁條和墻梁采用Q235薄壁型鋼,屋面為壓型彩鋼板。2009年10月23日,該廠房在施工過(guò)程中突然倒塌。當(dāng)時(shí)已經(jīng)安裝的18榀剛架全部倒塌,天氣情況為:小雨,西北風(fēng)5級(jí)～6級(jí),陣風(fēng)8級(jí),溫度9℃～17℃。廠房倒塌前,已經(jīng)安裝了18榀剛架,①軸～④軸間的屋面檁條全部安裝完畢,其余各跨只安裝了6條檁條,墻面檁條沒(méi)有安裝。

2 事故原因分析

2.1 事故概況

通過(guò)對(duì)該廠房的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)發(fā)現(xiàn),倒塌前在已安裝完畢的18榀剛架之間都設(shè)有系桿,但整個(gè)廠房縱向上沒(méi)有設(shè)置任何柱間支撐;按照施工圖要求設(shè)置橫向水平支撐的兩榀剛架只在橫梁兩端及屋脊處設(shè)置系桿,而剛架倒塌前橫向水平支撐并沒(méi)有安裝;柱腳底板與基礎(chǔ)連接原設(shè)計(jì)為Q235鋼M 24螺栓,設(shè)計(jì)變更為Q235鋼M30螺栓,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)為M27螺栓連接;地腳二次混凝土澆灌沒(méi)有施工,地腳板螺栓大部分采用雙螺母,螺栓與基礎(chǔ)的連接見(jiàn)圖1。從廠房的現(xiàn)場(chǎng)破壞情況來(lái)看,剛架倒塌后,地腳螺栓或者發(fā)生很大的拉伸變形,或者直接被拉斷。

2.2 原因分析

為全面系統(tǒng)分析結(jié)構(gòu)倒塌原因,首先對(duì)門(mén)式剛架的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行了全面地圖紙審查,結(jié)果均滿足規(guī)范要求。調(diào)查檢測(cè)中,也對(duì)地腳螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行了抽檢,得出的結(jié)論是鋼材力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。按照設(shè)計(jì)要求,地腳螺栓應(yīng)采用Q235鋼制作的M30普通螺栓。施工中采用了Q390鋼制作的直徑為27 mm的地腳螺栓,螺栓材料屈服強(qiáng)度大約為400MPa。

從以上分析可以看出,施工過(guò)程中主要存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:

1)由于柱腳與基礎(chǔ)連接近似于鉸接方式,柱子在側(cè)向風(fēng)壓作用下容易與基礎(chǔ)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),這樣剛架在縱向的剛度很大程度上依賴(lài)于縱向的柱間支撐、橫向水平支撐以及系桿作用來(lái)保證。

2)整個(gè)廠房沿著縱向沒(méi)有設(shè)置任何柱間支撐,只是在相鄰的兩榀剛架之間用系桿相連。在柱腳與基礎(chǔ)不能剛性連接的情況下,而系桿與橫梁之間的連接又是鉸接,所以當(dāng)柱與基礎(chǔ)連接近似鉸接時(shí),整個(gè)剛架結(jié)構(gòu)沿著縱向是一個(gè)不穩(wěn)定體系(見(jiàn)圖2中的簡(jiǎn)化模型),很容易發(fā)生倒塌。而剛架結(jié)構(gòu)在橫向未發(fā)生倒塌的原因是鋼柱與橫梁之間是剛性連接,這樣即使柱與基礎(chǔ)之間是鉸接,鋼框架在橫向仍然是一個(gè)穩(wěn)定體系(見(jiàn)圖3中的簡(jiǎn)化模型),所以施工過(guò)程中橫向不會(huì)發(fā)生倒塌。

3)雖然鋼柱與基礎(chǔ)的連接仍能提供一定的剛度約束(施工中采用了四個(gè)地腳螺栓),但是由于縱向上任何一榀剛架與其他剛架之間不能形成一個(gè)統(tǒng)一整體來(lái)提供縱向剛度,所以對(duì)于縱向的風(fēng)壓,相當(dāng)于每一榀剛架都獨(dú)立承受該方向的風(fēng)荷載。除此之外,由于在縱向風(fēng)壓作用下鋼柱要發(fā)生彎曲,而柱與基礎(chǔ)之間不是剛性連接,所以柱腳和基礎(chǔ)之間發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng),該轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)后果:a.由于轉(zhuǎn)動(dòng)造成柱在縱向的彎曲撓度比較大,這樣會(huì)由于自重作用而產(chǎn)生不能忽略的附加彎矩(即二階效應(yīng)),使得地腳螺栓承受的拉力增大;b.在風(fēng)載往復(fù)作用下,柱腳與基礎(chǔ)之間的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致螺栓反復(fù)承受沖擊拉力,而沖擊作用更容易使得螺栓發(fā)生斷裂破壞,而且螺栓在反復(fù)沖擊力作用下會(huì)進(jìn)一步惡化柱與基礎(chǔ)連接的剛度,因?yàn)?在沖擊力作用下螺栓很容易發(fā)生應(yīng)力松弛;由于螺栓所受到的沖擊力會(huì)傳遞到與之相連的底板螺栓孔附近位置,容易導(dǎo)致柱腳底板發(fā)生翹曲變形(見(jiàn)圖4),增大柱與基礎(chǔ)之間的轉(zhuǎn)角。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上的分析,取出其中一榀剛架進(jìn)行分析。由于沿著縱向任何兩榀剛架之間均沒(méi)有設(shè)置柱間支撐,而在無(wú)柱間支撐的情況下,系桿并不能對(duì)橫梁提供側(cè)向約束,所以只需要分析每榀剛架結(jié)構(gòu)在單獨(dú)承受風(fēng)荷載情況下的安全性。

當(dāng)柱與基礎(chǔ)之間不是剛性連接時(shí),柱在縱向風(fēng)壓作用下的變形比較大,要精確分析地腳螺栓的受力還需要考慮柱在縱向撓度作用下由于自重而產(chǎn)生的附加彎矩,即二階效應(yīng)。在不考慮二階效應(yīng)的情況下,僅僅考慮風(fēng)荷載作用,假定柱與基礎(chǔ)連接處的彎矩按照剛接計(jì)算(該假設(shè)是偏于保守的),則柱與基礎(chǔ)連接處需要承受的彎矩大小可由風(fēng)壓以及柱和梁的截面尺寸計(jì)算得到,該彎矩由螺栓完全承擔(dān),可以計(jì)算出每個(gè)螺栓所承受的拉力 F=190kN。而采用Q390鋼制作的M27螺栓在達(dá)到屈服時(shí)所能承受的最大拉力為154 kN,到拉斷時(shí)所能承受的最大拉力為211 kN。

3 門(mén)架安裝施工事故預(yù)防措施

1)門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中,要保證結(jié)構(gòu)的縱向剛度,首先應(yīng)該從具有柱間支撐的兩個(gè)剛架開(kāi)始安裝,柱間支撐與所連接的鋼柱形成一個(gè)幾何不變體系,從而提供廠房縱向方向的剛度;與柱間支撐在同一個(gè)區(qū)間的橫梁之間則應(yīng)同時(shí)安裝橫向水平支撐,以保證橫梁的縱向剛度。柱間支撐和橫向水平支撐與相連接的鋼柱和鋼梁一起組成一個(gè)縱向剛度很大的體系,以保證結(jié)構(gòu)的縱向剛度和整體穩(wěn)定性。

2)柱腳螺栓在使用階段應(yīng)為受拉,但在安裝階段未完成二次澆筑層時(shí)則為受壓。由于施工工程中纜風(fēng)繩僅對(duì)剛架平面外穩(wěn)定起支撐作用,在二次澆筑層強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求前應(yīng)對(duì)可調(diào)柱腳螺栓采取必要的保護(hù)措施,如放置穩(wěn)定可靠的鋼楔(見(jiàn)圖5),以防止因螺栓失穩(wěn)或強(qiáng)度破壞而導(dǎo)致剛架平面內(nèi)側(cè)傾。楔形墊塊拆除后再用灌漿料填補(bǔ)缺口。

3)剛架安裝應(yīng)有完整的檢驗(yàn)與交接資料,按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求,做好構(gòu)件復(fù)檢驗(yàn)和進(jìn)場(chǎng)防護(hù)等工作。

[1]CECS 102∶2002,門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50205-2001,鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].