某廠房坍塌事故檢查鑒定及原因分析

李進國

1 工程概況

某公司廠房為工業(yè)化養(yǎng)殖廠房,原設計為磚混結構承重、拱形鋼結構屋面的單層廠房,廠房周圍的承重及圍護墻體采用混凝土構造柱和磚砌體,設有地圈梁及檐口圈梁各一道,墻體厚240 mm;廠房的長為143.40 m,寬為31.92 m,檐口標高2.34 m,建筑面積4 577.0 m2;設計墻體采用M U10機制磚與M5混合砂漿砌筑,混凝土構件的強度等級為C20。設計屋面采用拱形輕鋼屋架,上弦拱高3.6 m,下弦拱高3.0 m,屋架間距 7.0 m,跨度為 31.92 m;鋼架檁條采用倒梯形鋼架,截面高度為0 mm～250 mm,跨度為7.0 m;鋼架檁條屋面采用波形瓦。該廠房施工完工后未投入使用,2009年2月兩棟廠房相繼倒塌,如圖1,圖2所示。

2 現(xiàn)場檢查情況

1)根據(jù)現(xiàn)場了解,該廠房設計未經(jīng)過簽字審核,施工單位為一個村鎮(zhèn)沒有施工資質(zhì)的施工單位施工。兩棟廠房倒塌時該地區(qū)積雪厚度約30 mm,無風。2)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查:廠房倒塌均為南墻及南半榀屋面,北半部分未倒塌。a.砌體:實際結構中為機制紅磚與混合砂漿砌筑,設有混凝土構造柱。北廠房南墻混凝土構造柱鋼筋未錨固牢固,該處鋼筋被拔出,未見鋼筋縮頸拉斷情況。南廠房南墻混凝土柱鋼筋被拉斷,該處鋼筋有不同程度銹蝕。兩棟廠房墻體砌筑砂漿飽滿,砌體質(zhì)量良好。b.屋架:屋架上弦為角鋼,下弦為鋼管、鋼筋做腹桿的輕型鋼屋架,屋架下設水平拉桿,每榀屋架中部附近設有2根單鋼管支撐,間距約為2.15 m;北廠房檁條支承大部分不在屋架節(jié)點上;南廠房檁條支承在屋架節(jié)點上。c.屋面檁條采用倒梯形鋼架,上弦為角鋼,下弦為鋼筋,屋面采用波形瓦。d.焊縫質(zhì)量:現(xiàn)場檢測鋼屋架、鋼檁條的腹桿與角鋼、圓鋼、鋼管之間焊接質(zhì)量較差,部分焊接為點焊。3)材料強度。a.砌體砂漿強度:根據(jù)DBJ 14-030-2004回彈法檢測砌筑砂漿強度技術規(guī)程,現(xiàn)場對廠房的砌體砌筑混合砂漿進行隨機抽查檢測,每廠房各抽取6個測點,廠房砌體砌筑混合砂漿抗壓強度檢測結果分別為:6.19 MPa,5.48 MPa,5.23 MPa,5.29 MPa,5.48 MPa,5.35 MPa;達到設計M5的要求。b.輕型鋼屋架材料強度:現(xiàn)場對廠房的鋼屋架進行隨機取樣,各抽取一組鋼管、角鋼、圓鋼分別進行材料試驗,材料力學性能各項指標均合格。4)構件尺寸。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查測量,廠房鋼屋架上弦采用 2L36×36×3角鋼,下弦1φ 48壁厚為δ=3.3 mm鋼管,腹桿采用2φ 14鋼筋;屋面檁條上弦采用L36×36×3角鋼,下弦 1φ 14鋼筋,腹桿采用1φ 12鋼筋;拱形輕鋼屋架兩端支點間設有1φ 16拉桿鋼筋,拱內(nèi)沿屋架方向豎向鋼管φ 30,每榀屋架中部附近鋼管φ 60～φ 70不等;屋架節(jié)點間距不等,約900 mm。屋面采用波形瓦(現(xiàn)場對波形瓦取樣1.2 m×0.73 m,稱重1.55 kg,折算0.017 34 kN/m2)。混凝土柱尺寸為240×240;柱內(nèi)實配縱向鋼筋為4φ 10。

3 結構驗算及分析

3.1 驗算條件

根據(jù)GB 50011-2001建筑抗震設計規(guī)范,該廠房屬于丙類建筑,抗震設防烈度為7度;根據(jù)GB 50009-2001建筑結構荷載規(guī)范,該廠房的基本風壓按 0.5 kN/m2,基本雪壓按0.3 kN/m2;該廠房屋面部分的活荷載取值按 0.3 kN/m2,屋面板波形瓦按0.017 34 kN/m2,檁條的恒荷載按設計 0.37 kN/個(實測0.31 kN/個);根據(jù)試驗結果,鋼屋架部分構件的材料強度達到GB 50017-2003鋼結構設計規(guī)范的要求,驗算時材料強度設計值按規(guī)范要求取值。

驗算分析采用中國建筑科學研究院編制的PKPM建筑結構系列軟件中的鋼結構計算機輔助設計軟件(STS),屋架的結構布置、構件尺寸均按原圖紙和實際測量結果輸入計算機分別進行驗算分析。

3.2 驗算分析

1)設計荷載情況下驗算:驗算時考慮地震作用和風壓作用影響。經(jīng)驗算,鋼屋架的上下弦及部分腹桿、單拉桿在設計荷載作用下產(chǎn)生的壓應力比嚴重不滿足設計承載力要求;同時該部位平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定應力比也嚴重不滿足設計承載力下的穩(wěn)定要求,因此這些部位最易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

2)實際荷載情況下驗算:驗算時不考慮地震作用、活荷載和風壓作用影響。根據(jù)甲方反映情況:廠房倒塌時該地區(qū)無風,降雪約30 mm。換算雪荷載為0.03 kN/m2,小于設計屋面活荷載0.3 kN/m2。經(jīng)驗算,鋼屋架的上下弦、腹桿及跨中支架在實際荷載作用下產(chǎn)生的應力比均滿足規(guī)范要求,但鋼屋架的上下弦、部分腹桿及部分跨中支架在平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定應力比不滿足規(guī)范要求。這些部位最易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞,構件局部失穩(wěn),造成屋架內(nèi)力重分布,從而導致屋架系統(tǒng)失穩(wěn)破壞。

3)驗算結果與實際情況對比分析:根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的廠房倒塌情況,屋架破壞部位均出現(xiàn)在屋架靠近支座附近的部位(靠近支座的單拉桿附近),與驗算結果吻合,構件局部失穩(wěn),造成屋架內(nèi)力重分布,從而導致屋架系統(tǒng)失穩(wěn)破壞,屋架破壞產(chǎn)生拉力將縱墻拉倒。

3.3 施工質(zhì)量存在的問題分析

1)現(xiàn)場檢測鋼屋架的腹桿與角鋼、鋼管之間焊接質(zhì)量較差,部分焊接為點焊,焊接不符合規(guī)范要求,使部分構件產(chǎn)生焊接殘余應力變形,影響構件局部穩(wěn)定性,造成鋼屋架整體穩(wěn)定性較差。

2)屋架中部附近設有2根單鋼管(鋼管φ 60～φ 70不等)支撐,間距約為2.15 m,改變了屋架的受力形式,不符合設計要求。

3)鋼屋架上弦采用2L36×36×3角鋼,下弦1φ 48壁厚為δ=3.3 mm 鋼管,腹桿采用2φ 14鋼筋;屋面檁條上弦采用L36×36×3角鋼,下弦1φ 14鋼筋,腹桿采用1φ 12鋼筋;拱形輕鋼屋架下面為1φ 17鋼筋的水平拉桿,拱內(nèi)沿屋架方向豎向鋼管直徑為φ 30;以上尺寸均小于設計要求。

4)廠房部分屋架檁條支承不在節(jié)點上,不符合設計要求。

5)混凝土構造柱實際配筋為4φ 10,不符合設計4φ 12的要求;廠房南墻混凝土構造柱鋼筋未錨固。以上存在的質(zhì)量問題影響廠房的水平承載力,在屋架坍塌時支撐屋架的墻體(柱)易產(chǎn)生脆性破壞。

4 坍塌原因

通過以上現(xiàn)場檢查和結構驗算分析,鋼屋架的上下弦、部分腹桿及部分跨中支架在平面內(nèi)和平面外的穩(wěn)定應力比不滿足規(guī)范要求。這些部位最易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞,構件局部失穩(wěn),造成屋架內(nèi)力重分布,從而導致屋架系統(tǒng)失穩(wěn)破壞。部分構件產(chǎn)生焊接殘余應力變形,影響構件局部穩(wěn)定性,屋架部分支撐布置不符合設計要求,屋架部分構件截面尺寸小于原設計,圍護墻體構造柱配筋不符合設計要求,南墻混凝土構造柱鋼筋未錨固;設計和施工存在以上問題是廠房坍塌的主要原因。

5 結語

鋼結構是對雪荷載較為敏感的結構,該工程未經(jīng)過正規(guī)設計單位進行設計,又找了沒有施工資質(zhì)的單位,工程存在嚴重的設計和施工問題,致使廠房坍塌,造成嚴重的經(jīng)濟損失,教訓是慘痛的,應給我們以警示。

[1]GB 50205-2001,鋼結構工程質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[2]GB 50017-2003,鋼結構設計規(guī)范[S].

[3]熊 峰.鋼結構失穩(wěn)事故原因分析[J].宜春學院學報,2004(S1):95-96.

[4]劉 濤,肖志山.輕鋼結構安裝工程中注意事項[J].遼寧建材,2005(3):123-124.