某門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房施工階段倒塌事故分析

張凱靜 周建文

(1.中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430071; 2.湖北省建筑科學研究設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430071)

1 概述

門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)是單層工業(yè)廠房中一種常見的結(jié)構(gòu)形式。這類結(jié)構(gòu)形式的最大特點是：自重輕，抗震性能好，工業(yè)化程度高，施工周期短等。

本文針對一起門式剛架結(jié)構(gòu)廠房施工階段的倒塌事故[1-3]，根據(jù)現(xiàn)場的破壞情況，結(jié)合第三方取樣檢測、結(jié)構(gòu)計算等對鋼結(jié)構(gòu)廠房倒塌原因進行深入分析，并提出施工建議。

2 工程事故概況

某大型鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑面積約5 500 m2，主體結(jié)構(gòu)為雙坡門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)廠房縱向長82.4 m(13跨)，橫向長70.0 m(10跨)，最大柱距：7.0 m。屋脊梁頂結(jié)構(gòu)高度：10.884 m，屋檐梁頂結(jié)構(gòu)高度：8.0 m?；A(chǔ)采用柱下管樁基礎(chǔ)，經(jīng)計算一柱一樁，承臺間設(shè)置基礎(chǔ)梁。基礎(chǔ)混凝土強度等級為C30，鋼梁、鋼柱、檁條鋼材采用Q345，預(yù)埋錨栓、系桿支撐均采用Q235。屋面采用壓型鋼板作為圍護結(jié)構(gòu)，屋面梁采用H型變截面鋼梁，屋面系統(tǒng)由C型鋼檁條及十字交叉圓鋼組成，柱截面采用H型實腹柱。2019年11月17日晚，該工程已安裝部分整體倒塌。倒塌現(xiàn)場如圖1～圖4所示，剛架布置如圖5～圖7所示。

為分析剛架坍塌事故發(fā)生的原因，對現(xiàn)場進行了檢測和技術(shù)鑒定。

表1 現(xiàn)場安裝情況調(diào)查

從表1可以看出，結(jié)構(gòu)抗風柱、隅撐未安裝，水平支撐未安裝完，柱腳處未進行二次澆筑。根據(jù)氣象資料，事發(fā)當時，風速較大，極大風速達到13.3 m/s(6級風)。建筑倒塌方向為L軸向A軸方向(見圖1)。倒塌現(xiàn)場，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與基礎(chǔ)短柱連接處混凝土多處開裂，部分混凝土破碎(見圖2)、地腳螺栓拔出、彎曲變形、錨栓螺母脫落、部分錨栓斷裂；剛架柱腳尚未進行混凝土二次澆灌(見圖3)，柱腳與混凝土短柱間未見墊塊；鋼柱、鋼梁等構(gòu)件變形，屋面檁條大部分脫落、變形、破壞(見圖4)。

3 事故原因分析

3.1 材料方面

鋼結(jié)構(gòu)的梁、柱及次構(gòu)件等結(jié)構(gòu)的尺寸進行現(xiàn)場抽檢，所檢梁、柱、系桿、檁條、地腳螺栓尺寸符合設(shè)計要求。該工程鋼結(jié)構(gòu)主構(gòu)件鋼板力學性能均符合國家相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

對承臺及混凝土短柱鉆取芯樣，檢測混凝土抗壓強度，檢測結(jié)果表明所檢構(gòu)件混凝土抗壓強度推定值達不到設(shè)計強度等級要求(見表2)。

表2 承臺及混凝土短柱混凝土抗壓強度檢測結(jié)果

3.2 設(shè)計方面

1)主體及圍護結(jié)構(gòu)。

原設(shè)計采用中國建筑科學院PKPM2010等系列軟件V4.1版本，現(xiàn)采用3d3s軟件14.1.9版對原設(shè)計重新校核。根據(jù)驗算結(jié)果，該工程主體及圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計符合國家相關(guān)規(guī)范的規(guī)定(見圖8)。

2)柱腳錨栓。

廠房原設(shè)計柱腳錨栓為4根M24，柱腳連接為鉸接。根據(jù)現(xiàn)場勘測，基礎(chǔ)頂面與柱腳底板之間的預(yù)留高度接近100 mm，施工人員對該廠房剛架安裝完成后，未及時按照原設(shè)計要求采用C40微膨脹自流性細石混凝土填實。

根據(jù)現(xiàn)場錨栓的破壞形式，對坍塌前已安裝剛架在自重和風荷載組合作用下的實際受力情況進行承載力驗算。該地區(qū)氣象局觀測站提供的2019年11月17日18時至20時，最大風速為13.3 m/s，其風力為6級。計算出風荷載標準值為0.11 kN/m2，該值小于設(shè)計值的0.35 kN/m2。在自重及風荷載作用下對結(jié)構(gòu)進行分析，梁、柱等主要受力構(gòu)件應(yīng)力比在0.20～0.40之間。從現(xiàn)場調(diào)查情況，梁柱連接處無明顯破壞，梁、柱未見明顯局部變形，可推斷出：結(jié)構(gòu)在自重及風荷載作用下，未產(chǎn)生明顯的變形破壞，其變形主要是在坍塌的過程中產(chǎn)生。

結(jié)構(gòu)倒塌是一個動態(tài)變化的過程，結(jié)構(gòu)受力情況時刻發(fā)生變化。剛架未受外力作用下，其柱腳的位移均受約束，因此在風荷載作用的瞬間假定柱腳為剛接，柱底彎矩使柱腳錨栓一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓。

假定不考慮柱腳錨栓缺陷，當?shù)啬_螺栓正常工作時，取柱腳最不利一組內(nèi)力N=50.334 kN，M=13.386 kN·m，V=1.350 kN，以一個柱腳四個錨栓計算，則單個錨栓的反力為：N=101.8 kN，V=0.34 kN。

強度驗算：

穩(wěn)定性驗算：

由計算可知：在風荷載作用的瞬間，錨栓實際受力已超過其本身的承載能力。實際情況，柱腳與基礎(chǔ)的連接近似鉸接，加之基礎(chǔ)頂面與鋼柱底板之間的預(yù)留空間較大，使錨栓的剛度約束進一步削弱。因此，縱向風壓作用時，錨栓不會立即發(fā)生破壞，但會表現(xiàn)為鋼柱以柱腳為軸發(fā)生轉(zhuǎn)動。假定考慮地腳螺栓傾斜θ=5°，風荷載和剛架在自重作用下，以一個柱腳四個錨栓計算，則單個錨栓的反力為：

M=Nx=101.8×0.05×tan5°=0.445 kN·m。

強度驗算：

穩(wěn)定性驗算：

596.4 MPa≥205 MPa。

由驗算可知，在考慮柱腳錨栓傾斜θ=5°的情況下，柱腳錨栓的受力情況更為不利。

4 結(jié)論

1)現(xiàn)場施工順序錯誤。

依據(jù)GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[4]：剛架應(yīng)先安裝靠近山墻有柱間支撐的兩榀剛架，在施工中應(yīng)及時安裝好其間的檁條、支撐、隅撐等，并檢查其垂直度，必要時增設(shè)纜風繩充分固定。以這兩榀剛架為起點，向房屋另一端順序安裝。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，倒塌區(qū)內(nèi)除抗風柱外，所有主剛架已經(jīng)安裝完成，但是僅安裝兩根水平支撐，且水平支撐的規(guī)格和安裝方式均不符合設(shè)計要求。沒有安裝柱間支撐和隅撐，表明在尚未安裝柱間支撐、水平支撐和隅撐就安裝了檁條和系桿，使得已安裝的剛架沒有形成空間剛度單元。

2)現(xiàn)場基礎(chǔ)施工質(zhì)量差。

鋼結(jié)構(gòu)施工時，柱腳錨栓預(yù)留二次澆灌層高度大于設(shè)計高度，混凝土對柱底地腳錨栓握裹能力不足，其抗剪切能力也隨之降低，致使連接節(jié)點剛度降低。未加楔形墊塊，柱腳板上部僅有一個螺栓，基礎(chǔ)頂部標高低于設(shè)計值，造成鋼柱底部的抗剪鍵不能發(fā)揮作用，造成柱腳錨栓基本處于“懸臂”狀態(tài)。所檢承臺及混凝土短柱混凝土強度推定值達不到設(shè)計強度等級。

5 結(jié)語

本案例是由于柱腳錨栓失穩(wěn)造成的門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房在施工過程中發(fā)生倒塌。建議：門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房在施工過程中應(yīng)嚴格遵守規(guī)范規(guī)定，按照設(shè)計要求進行施工安裝，保證工程質(zhì)量；柱腳在進行二次灌漿前，柱底板的4個角可設(shè)置柱底墊板，避免在施工階段因風荷載等外力作用導致柱腳錨栓失效。