某在建鋼結(jié)構(gòu)煤棚倒塌事故調(diào)查與啟示

郭 宏 偉

(山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳宣傳中心，山西 太原 030013)

0 引言

為控制煤炭堆放場(chǎng)所的揚(yáng)塵污染，《山西省煤場(chǎng)揚(yáng)塵污染防治技術(shù)規(guī)范》中要求“縣級(jí)以上城市建成區(qū)內(nèi)的現(xiàn)有煤場(chǎng)應(yīng)實(shí)施密閉；未密閉的煤場(chǎng)應(yīng)限期實(shí)施密閉改造”。2017年山西新建了一批鋼結(jié)構(gòu)煤棚，2018年年初，多起在建煤棚倒塌。本文將圍繞某在建鋼結(jié)構(gòu)煤棚倒塌事故，開(kāi)展倒塌原因調(diào)查。

1 工程概況

2017年11月，開(kāi)工新建80 m×46 m的鋼結(jié)構(gòu)煤棚，高約18.7 m。排架結(jié)構(gòu)——鋼管混凝土柱+鋼桁架，榀間距16 m；外包混凝土式剛接柱腳；有檁體系，承重鋼桁架——GHJ，間距8 m(設(shè)工字形截面托梁)；墻板、屋面板采用壓型鋼板。承重結(jié)構(gòu)鋼材采用Q235B。

2018年3月中旬，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)煤棚屋面板吊裝過(guò)程中突然發(fā)生倒塌，見(jiàn)圖1。

2 事故調(diào)查

事故發(fā)生后，對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)煤棚進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘察及相關(guān)資料搜集、材料力學(xué)性能試驗(yàn)、理論分析等工作。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)勘察

1)施工現(xiàn)場(chǎng)。事故發(fā)生前，柱腳混凝土未外包混凝土；結(jié)構(gòu)主體安裝完畢；南側(cè)、西側(cè)墻面板，北側(cè)部分墻面板已安裝。天氣情況良好且無(wú)擾動(dòng)，在進(jìn)行成垛屋面板吊裝、堆放時(shí)發(fā)生倒塌。倒塌后，南側(cè)、北側(cè)排架柱均向內(nèi)傾倒，墻面檁條與柱連接基本完好；跨度46 m的鋼桁架跌落后主要分布在中間約12 m寬的區(qū)間，節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件基本完整，個(gè)別彎扭嚴(yán)重部位出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象；西側(cè)山墻排架柱向內(nèi)傾倒，3根抗風(fēng)柱及之間墻體發(fā)生輕微外傾，并未倒塌。托梁與排架柱剛接節(jié)點(diǎn)，翼緣處虛焊情況嚴(yán)重，且腹板高強(qiáng)度螺栓存在未擰緊；排架柱柱腳節(jié)點(diǎn)處錨栓98%以上發(fā)生斷裂?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鋼桁架的構(gòu)件截面尺寸——支座斜腹桿2∠50×4(原設(shè)計(jì)2∠63×6)；弦桿的拼接位置及焊縫長(zhǎng)度；并對(duì)部分構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)取樣。

2)設(shè)計(jì)圖紙。通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)圖紙查閱發(fā)現(xiàn)，柱間支撐不完整，桁架垂直支撐間距過(guò)大——23 m、下弦橫向水平支撐是否設(shè)置不明確、水平支撐與鋼桁架節(jié)點(diǎn)不重合；鋼桁架弦桿采用不等邊角鋼長(zhǎng)肢相拼；無(wú)托梁與鋼桁架連接節(jié)點(diǎn)及相關(guān)抗扭、局部承壓構(gòu)造措施；未見(jiàn)基礎(chǔ)施工圖，排架柱腳外包混凝土厚度、標(biāo)號(hào)不明；GHJ中構(gòu)件拼接節(jié)點(diǎn)——如弦桿跨中、桿件接長(zhǎng)等，無(wú)圖無(wú)說(shuō)明。

2.2 材料力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 2975相關(guān)要求，分別對(duì)GHJ上弦桿、托梁翼緣及腹板、鋼管混凝土柱柱腳底板取樣；試件編號(hào)見(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表1 力學(xué)性能試件

試驗(yàn)表明，材料拉伸具有明顯的屈服；實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度均大于235 N/mm2，實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度值均大于370 N/mm2，且小于500 N/mm2；伸長(zhǎng)率均大于26%；力學(xué)性能滿足GB/T 700相關(guān)要求。

2.3 理論分析

為計(jì)算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限承載能力，探究事故原因，分別對(duì)GHJ、托梁、排架柱及其柱腳進(jìn)行受力分析及驗(yàn)算。

1)鋼桁架。

事故發(fā)生前，無(wú)風(fēng)無(wú)地震。原煤棚屋面檁條僅承擔(dān)自重，發(fā)揮系桿作用，因此上弦平面外計(jì)算長(zhǎng)度取1.5 m，下弦平面外計(jì)算長(zhǎng)度取23 m；鑒于柱腳未實(shí)現(xiàn)剛接、托梁抗扭剛度較小且上下翼緣未可靠連接，GHJ按簡(jiǎn)支計(jì)算；支座斜腹桿按實(shí)測(cè)2∠50×4建模；GHJ桿件強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度255.7 N/mm2。

腹桿平面內(nèi)長(zhǎng)細(xì)比，下弦桿平面外長(zhǎng)細(xì)比，不滿足要求。

在屋面板吊裝前，鋼桁架僅受結(jié)構(gòu)自重作用，無(wú)屋面板、屋面活荷載。經(jīng)計(jì)算，上弦桿最大壓力-78.0 kN，下弦桿最大拉力77.8 kN；最大撓度31.5 mm；承載力、撓度滿足要求。

在屋面板吊裝堆放后，鋼桁架除受結(jié)構(gòu)自重作用之外，按實(shí)際堆放情況進(jìn)行加載計(jì)算，上弦桿最大壓力-116.4 kN，下弦桿最大拉力116.6 kN；最大撓度45.8 mm。支座斜腹桿平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力為277.76 N/mm2>255.7 N/mm2，不滿足要求，此時(shí)GHJ瞬變?yōu)闄C(jī)構(gòu)；其余桿件驗(yàn)算滿足要求。

2)托梁。

托梁采用H1000×500×8×10，跨度16 m，跨中承受GHJ的支座反力。

倒塌前，托梁按兩端簡(jiǎn)支驗(yàn)算，抗彎強(qiáng)度41.437≤215、抗剪強(qiáng)度5.142≤125、整體穩(wěn)定82.491≤215、豎向撓度6.453≤L/400=40，滿足要求。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3)排架柱。

排架柱采用鋼管φ630×8，內(nèi)澆C25混凝土。倒塌前，鋼柱承受豎向荷載107.24 kN，小于其承載能力。

4)排架柱柱腳節(jié)點(diǎn)。

倒塌前排架柱柱腳采用8根M30錨栓固定，可承受最大彎矩為145.7 kN·m。GHJ支座斜腹桿失穩(wěn)退出工作前，下弦軸力約為69.6 kN，對(duì)柱腳節(jié)點(diǎn)的彎矩值69.6×16=1 113.6 kN·m?145.7 kN·m，8根M30錨栓將由外及內(nèi)依次被拉斷。

3 倒塌過(guò)程及原因

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，材料力學(xué)性能試驗(yàn)及理論分析后，還原倒塌過(guò)程：

1)鋼結(jié)構(gòu)煤棚東側(cè)的鋼桁架因屋面板的堆放，致使支座斜腹桿失穩(wěn)，瞬間變?yōu)闄C(jī)構(gòu)，在其下弦拉力作用下兩側(cè)排架柱向內(nèi)傾斜，拉斷柱腳錨栓；

2)因GHJ間檁條的拉結(jié)，自東向西帶動(dòng)相鄰GHJ失穩(wěn)墜落，排架柱腳錨栓被拉斷，向內(nèi)傾倒；

3)連鎖反應(yīng)擴(kuò)展至西側(cè)山墻時(shí)，受縱向托梁的連接及支撐約束共同影響，山墻排架柱柱腳錨栓拉斷后向東傾倒；

4)西側(cè)山墻抗風(fēng)柱與鋼桁架下弦采用單角鋼限位——弱連接，GHJ從抗風(fēng)柱柱頂滑脫；南北側(cè)墻面自東向西依次倒塌過(guò)程中，形成較大氣流直接作用于西側(cè)山墻墻面內(nèi)側(cè)——形成向西的推力，致使該處3根抗風(fēng)柱及其墻面向西傾斜，但未能拉斷柱腳錨栓，因此斜而未倒。

綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、試驗(yàn)及理論分析，造成本次事故發(fā)生的原因：

1)跨度46 m的GHJ設(shè)計(jì)承載力不足，支撐體系布置不合理，是倒塌發(fā)生的根本原因。

2)施工過(guò)程中，柱腳未滿足剛接條件進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工、GHJ支座斜腹桿由小代大、托梁翼緣焊縫不合格、局部堆載過(guò)大是導(dǎo)致原煤棚整體倒塌發(fā)生的直接原因。

4 啟示

通過(guò)本次鋼結(jié)構(gòu)煤棚倒塌事故的調(diào)查，結(jié)合近期山西省發(fā)生的多起類(lèi)似實(shí)例，該類(lèi)工程項(xiàng)目工程管理及實(shí)施過(guò)程中的啟示如下：

1)平面承重結(jié)構(gòu)。排架用作大跨結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)保證空間穩(wěn)定性，采取必要措施防止連續(xù)倒塌。

2)承重結(jié)構(gòu)中受力較大或重要的桿件應(yīng)有足夠的可靠度，可引入“多余”支撐，增加結(jié)構(gòu)傳力路徑。

3)在保證安全的前提下，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、科學(xué)組織項(xiàng)目實(shí)施，降低工程造價(jià)。

4)特殊項(xiàng)目工期較短，更應(yīng)關(guān)注安全、質(zhì)量，不可心存僥幸，盲目冒進(jìn)。

5)在企業(yè)自建項(xiàng)目中，存在無(wú)監(jiān)管、無(wú)監(jiān)理、無(wú)甲方代表的情況，施工企業(yè)身為運(yùn)動(dòng)員，同時(shí)又是裁判，工程質(zhì)量難以保障。

6)為避免構(gòu)件打架或采購(gòu)繁瑣，不經(jīng)設(shè)計(jì)同意或?qū)＜艺撟C，施工企業(yè)擅自更改結(jié)構(gòu)或變更桿件規(guī)格，往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷。

7)開(kāi)展工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)做到結(jié)構(gòu)合理，荷載取值準(zhǔn)確，滿足承載力及剛度要求，節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造可靠。

8)隨著建設(shè)項(xiàng)目復(fù)雜程度越來(lái)越高，項(xiàng)目總承包的推進(jìn)，施工企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)施工方案的設(shè)計(jì)與驗(yàn)算，保證安裝順利進(jìn)行。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)煤棚事故倒塌原因的探究，可以得出以下結(jié)論：

1)在大跨度結(jié)構(gòu)中采用排架結(jié)構(gòu)時(shí)，柱腳節(jié)點(diǎn)達(dá)到相應(yīng)剛度時(shí)或采取臨時(shí)拉結(jié)措施，方可進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)安裝；平面承重結(jié)構(gòu)應(yīng)采取防止連續(xù)倒塌措施。

2)平面鋼桁架用于屋蓋承重結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采取可靠的支撐系統(tǒng)，保證其的空間穩(wěn)定性；受力較大或重要桿件應(yīng)有足夠的可靠度。

3)跨度較大的托梁應(yīng)優(yōu)先選用抗扭剛度較好的箱型截面；當(dāng)采用工字形截面時(shí)，應(yīng)采取必要的提高其抗扭剛度的措施。

在總結(jié)本次事故及類(lèi)似實(shí)例的基礎(chǔ)上，建議如下：

1)建筑設(shè)計(jì)使用年限短或重要性等級(jí)低的建筑物，設(shè)計(jì)、施工也應(yīng)重視，保證匹配的可靠度。

2)工程管理涉及項(xiàng)目建設(shè)的全過(guò)程，除關(guān)注造價(jià)、工期之外，還有使用功能、質(zhì)量、耐久性等，需監(jiān)管部門(mén)、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)院、施工企業(yè)共同重視。