某料倉倒塌事故原因分析

程文超，吳兵，方少林，魏佳佳

（蘇州華碧微科檢測技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215000）

近年來，建筑機械因設(shè)計強度或剛度不足、使用結(jié)構(gòu)鋼材不合格、安裝施工不規(guī)范造成的事故時有發(fā)生。某建筑工地泥漿水濃縮用的料倉倒塌事故就是一例。本文通過載荷計算、有限元模擬仿真、支腿焊縫質(zhì)量檢驗分析了料倉倒塌事故的可能原因。

1 料倉結(jié)構(gòu)

某料倉結(jié)構(gòu)上部為筒體結(jié)構(gòu)，下部為錐體結(jié)構(gòu)，支腿采用6 根螺旋焊管支撐在筒體與錐體過渡區(qū)。泥漿水注入機將泥漿水從料倉頂部注入料倉，經(jīng)過絮凝和沉淀，錐體底部有卸料口將泥沙放出，沉淀后的水從料倉頂部水槽排出。

料倉總高度10m，筒體高度6m，錐體高度4m，筒體和錐體板材壁厚為8mm，料倉筒體和錐體的鋼板采用焊接方式拼接。料倉支腿采用螺旋焊管，高度為4.25m，支腿直徑為Φ273mm，壁厚為6.4mm，支腿底部端面與預埋鋼板采用焊接方式連接，料倉結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 料倉結(jié)構(gòu)示意圖

2 事故簡介

該料倉于2019 年5 月左右完工并開始調(diào)試使用，當天天氣情況沒有出現(xiàn)大風和地震，調(diào)試使用過程中，筒體和錐體裝滿泥漿水，在進行絮凝沉淀過程中，料倉支腿發(fā)生彎折，引起料倉倒塌，筒體和錐體發(fā)生撕裂，見圖2 所示。設(shè)計資料中料倉筒體、錐體板材材料為Q235，支腿金屬材料及牌號未明確。

圖2 倒塌后的料倉照片

3 倒塌分析

3.1 載荷分析

采用火花放電原子發(fā)射光譜法檢測料倉支腿的主要化學元素C、Si、Mn、P、S 的成分，對支腿金屬材料進行拉伸強度實驗，并對照GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中Q235 的化學元素C、Si、Mn、P、S 的成分和抗拉強度進行分析，檢測和分析結(jié)果見表1，檢測樣品中的化學元素和抗拉強度均符合Q235 的要求。

支腿螺旋焊管屬大長細比受壓桿件，主要核算穩(wěn)定性，其最大承載能力的計算，根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中實腹式軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定性計算公式建立載荷模型。

表1 檢測和分析結(jié)果表

根據(jù)支腿直徑（D）為273mm、壁厚（t）為6.4mm、長度（l）為4250mm，材料為Q235 等條件，按照GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》長度因素μ 取1，α2取0.965，α3取0.3，fy取235MPa，f 取215MPa，進行計算，具體如下：

假設(shè)材料合格，所有焊接質(zhì)量合格的理想狀態(tài)，不考慮風載荷和地震載荷，單根支腿螺旋焊管最大能承受1012kN的載荷，6 根支腿螺旋焊管最大能承受6072kN 的載荷，根據(jù)料倉自重和泥漿水比重計算可知，料倉內(nèi)總重量約為548t，未超過支腿的承重能力。

3.2 有限元分析

根據(jù)料倉結(jié)構(gòu)圖，采用有限元方法進行了分析計算，主要利用了三種單元，即桿單元、梁單元、殼單元，考慮了三種單元之間的耦合關(guān)系。以下僅對其中的殼單元見作一簡單介紹，見圖3 所示。殼單元采用六面體形狀，八節(jié)點，每個節(jié)點有六個自由度，單元具有塑性、剪切變形、大變形及大應變特性。

本次利用ANASYS R15.0 進行模擬仿真，假設(shè)支腿螺旋焊管質(zhì)量良好，設(shè)置模型邊界條件和載荷施加，計算料倉應力，如圖4 所示。模擬結(jié)果顯示，最大應力分布在錐體底部，支腿與筒體連接處產(chǎn)生局部最大應力，容易引起開裂。

圖3 單元模型

3.3 焊縫分析

圖4 料倉應力分布圖

對料倉錐體底部的鋼板、支腿與筒體連接處的焊縫分別進行無損檢測，發(fā)現(xiàn)料倉錐體底部的鋼板焊縫對接處存在未熔合和密集氣孔，如圖5 所示，支腿與筒體連接處的焊縫存在未熔合現(xiàn)象，如圖6 所示，焊縫評定等級為IV 級。

圖5 密集氣孔

圖6 未熔合

4 結(jié)語

（1）料倉支腿在不考慮風載和地震載荷的理想狀態(tài)時，強度可以滿足料倉重量要求。

（2）通過計算機模擬仿真得出，料倉在使用過程中，應力集中分布在錐體底部和支腿與筒體連接處。

（3）對料倉錐體底部、無損檢測發(fā)現(xiàn)，焊縫質(zhì)量存在不同程度缺陷，會降低焊縫的焊接強度質(zhì)量，料倉錐體底部鋼板容易開裂、支腿容易發(fā)生彎曲，會引起料倉倒塌。