某鋼結(jié)構(gòu)大棚雪載作用下倒塌事故分析

褚 航，褚智超

（1.揚州大學(xué)，江蘇 揚州 225000；2.揚州蘇油工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

近年來，隨著我國工業(yè)的飛速發(fā)展，各地工業(yè)廠房數(shù)量迅速增加。門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)是工業(yè)廠房中常見的結(jié)構(gòu)形式，因其設(shè)計周期短、自重輕、工業(yè)化程度高、施工安裝快速等特點被廣泛采用。市場的擴(kuò)大催生了許多鋼結(jié)構(gòu)公司，由于無序的競爭，在建設(shè)過程中出現(xiàn)了不規(guī)范的設(shè)計、制造、施工等現(xiàn)象，并由此產(chǎn)生了各種缺陷，為結(jié)構(gòu)在后續(xù)使用中埋下安全隱患。本文介紹一起鋼結(jié)構(gòu)大棚在雪載作用下的倒塌事故，根據(jù)現(xiàn)場破壞情況對事故現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合現(xiàn)場取樣檢測，建立模型計算分析，并對倒塌原因進(jìn)行深入分析。

1 工程概況

某鋼結(jié)構(gòu)大棚位于揚州市方巷鎮(zhèn)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工均為同一鋼結(jié)構(gòu)公司完成，設(shè)計圖紙未經(jīng)過圖審，施工資料不齊全。主體結(jié)構(gòu)為單層單跨門式剛架結(jié)構(gòu)（采用圓鋼管柱、圓鋼管焊接的桁架梁），屋面做法為單層彩鋼屋面板+采光板，東西方向跨度為 26.6 m，南北方向每榀剛架之間柱間距為 6.0 m、柱高 6.0 m、棚頂高 6.8 m，總長度為 144 m，共計 25 榀剛架，建筑面積為 3 830 m2（144×26.6=3 830 m2）。揚州地區(qū)抗震設(shè)防烈度 7 度（0.15g），丙類設(shè)防，基本風(fēng)壓為 0.4 kN/m2，場地粗糙度類別 B 類，10 年一遇雪壓 0.25 kN/m2，50 年一遇雪壓 0.35 kN/m2，對雪荷載敏感的建筑雪壓 0.40 kN/m2。事故照片如圖 1 所示，桁架立面圖如圖2 所示，桁架構(gòu)件單元劃分如圖3 所示。

圖1 建筑事故照片

圖2 鋼管桁架立面圖

圖3 鋼管桁架構(gòu)件單元劃分

2 事故原因調(diào)查

2.1 事故現(xiàn)場情況

2018 年 1 月 4 日，該鋼結(jié)構(gòu)大棚在積雪荷載作用下發(fā)生垮塌。通過對事故現(xiàn)場的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場建筑物普遍存在的破壞形式如下：剛架柱基礎(chǔ)預(yù)埋件拉拔破壞；柱間支撐彎曲變形；剛架柱與屋面桁架梁連接節(jié)點處受力彎拉破壞，拉條失效；鋼管桁架上弦桿與柱頭連接部位失效；剛架柱與桁架連接節(jié)點處受力彎拉破壞；桁架梁、檁條部分發(fā)生扭曲破壞。

2.2 檢測情況

使用游標(biāo)卡尺測量剛架柱及桁架系桿的直徑，超聲波測厚儀測量剛架柱、桁架系桿的厚度，所檢剛架柱材質(zhì)為鍍鋅圓鋼管，材質(zhì)規(guī)格為：柱規(guī)格為Φ168×4.0 mm；剛架梁材質(zhì)為鍍鋅圓鋼管，由上弦桿、下弦桿和腹桿組成，上弦桿規(guī)格為 Φ76×3.0 mm，下弦桿規(guī)格為 Φ60×3.0 mm，腹桿規(guī)格為 Φ48×2.0 mm，桁架梁上下弦管中心距離為 600～680 mm，屋面桁架下拉條鋼筋截面規(guī)格為 Φ18 圓鋼。屋面檁條采用卷邊 C形檁條，截面規(guī)格為 C140 mm×50 mm×1.8 mm，屋面、柱間支撐截面規(guī)格為 L70×5 mm 角鋼。根據(jù)對現(xiàn)場截取原材料進(jìn)行：①斷后伸長率；②抗拉強(qiáng)度；③下屈服強(qiáng)度；④壓扁試驗。試驗結(jié)果表明：所檢原材料的相關(guān)性能均能滿足國標(biāo) Q235 鋼材要求。

現(xiàn)場對柱頂區(qū)域進(jìn)行取樣檢測，根據(jù)現(xiàn)場取樣帶焊縫位置為 20/A 柱頂節(jié)點桿、6/A-B 柱頂節(jié)點下弦桿件，所檢原材料的相關(guān)性能正彎、背彎拉伸及彎曲不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。原材料斷后觀察，焊縫未融透，焊接高度僅為鋼管壁厚的 2/3 左右（見圖 4）。采用著色探傷法檢測鋼管連接焊縫質(zhì)量，同時采用放大鏡檢查焊縫外觀質(zhì)量情況，現(xiàn)場桁架梁柱拼接點、未斷裂的梁柱拼接點焊縫質(zhì)量觀感差，發(fā)現(xiàn)表面裂紋、表面氣孔、夾渣等缺陷，焊縫根部未焊透、焊縫未連續(xù)施焊，所檢焊縫外觀質(zhì)量不符合GB 50205－2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》［1］二級焊縫要求。

圖4 焊縫厚度

現(xiàn)場對桁架下弦圓鋼拉條截取 3 根（原材料 1 根，帶焊縫 2 根）進(jìn)行力學(xué)性能試驗，檢測結(jié)果表明：原材料強(qiáng)度符合 GB/T 700－2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》［2］中規(guī)定的 Q275 鋼材強(qiáng)度要求。原材料雙面焊接的搭接長度 60 mm 不滿足 JGJ 18－2012《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》［3］中表 4.5.4 中規(guī)定的雙面焊 5d（5×18=90 mm）要求。試件斷在焊縫處，不符合 JGJ 18－2012《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》的要求。檢測數(shù)據(jù)如表 1 所示。

表1 桁架下弦圓鋼拉條鋼材強(qiáng)度檢測結(jié)果

現(xiàn)場取樣上、下弦桿帶焊縫位置為 22/A-B（東下）、22/A-B（中下）22/A-B（西下）下弦桿，22/A-B（東上）、22/A-B（中上）22/A-B（西上）上弦桿，對所檢原材料進(jìn)行焊接、對接接頭的拉伸性能、冷彎性能檢驗，經(jīng)檢驗拉伸性能符合 GB 50661－2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》［4］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，冷彎性能不符合 GB 50661－2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

2.3 氣象調(diào)查

根據(jù)揚州市氣象局提供的資料，受冷暖氣流共同影響，2018 年 1 月 3 日～1 月 4 日出現(xiàn)暴雪天氣，3 日 20 時～4 日 8 時測得雨雪量為 20.1 mm，4 日 8 時積雪深度為 9 cm。由氣象局資料推算大棚倒塌前的積雪基本情況為：雪容重為 200 kg/m3，積雪深度為 9 cm，折算為屋面雪荷載為 0.18 kN/m2。

3 結(jié)構(gòu)承載力驗算

3.1 計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場的檢測資料及調(diào)查資料，為了查找鋼結(jié)構(gòu)雪載下倒塌原因，本次部分計算參數(shù)根據(jù) 2018 年 1 月 4日實際雪載工況下進(jìn)行復(fù)核，基本參數(shù)設(shè)置如下所述。

恒荷載：0.1 kN/m2，如圖 5 所示；活荷載 0.18 N/m2（實際雪載，棚頂考慮雪壓不均勻分布），如圖 6 所示；風(fēng)荷載：0.4 kN/m2，B 類粗糙度；材料自重：78 kN/m2；材料強(qiáng)度：Q235 鋼；桁架間距：6 m；不考慮抗震；剛架自重放大系數(shù)：1.1；凈截面與毛截面比值：0.67（考慮對接焊縫施工因素）；恒、活載分項系數(shù)分別為 1.3 和 1.5；考慮恒載作用下柱的軸向變形；構(gòu)件尺寸見 2.2 節(jié)。

圖5 恒載分布圖（單位：kN·m-1）

圖6 雪載分布圖（單位：kN·m-1）

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場實際布置情況，柱底鉸接，柱頂剛接，結(jié)合 GB 50017－2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［5］、GB 51022－2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［6］，采用中國建筑科學(xué)研究院研發(fā)的復(fù)核軟件 PKPM 進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力驗算。

強(qiáng)度驗算結(jié)果顯示：鋼柱在雪載作用下強(qiáng)度應(yīng)力比為 1.87、1.96 均＞1.00（強(qiáng)度超限）；梁單元構(gòu)件上弦桿、腹桿、下弦桿在雪載作用下強(qiáng)度應(yīng)力比最大值為 0.52 均＜ 1.00（滿足要求）。

穩(wěn)定性計算顯示：鋼柱雪載作用下平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力比為 2.56、2.67 均＞1.00（平面內(nèi)穩(wěn)定強(qiáng)度超限約 2.5 倍），其中柱單元①長細(xì)比超限，柱單元②長細(xì)比處于臨界狀態(tài)（允許長細(xì)比 200）；鋼柱平面外穩(wěn)定應(yīng)力比為 1.35、1.45 均＞1.00（平面外穩(wěn)定強(qiáng)度超限約 1.4 倍）；梁單元構(gòu)件上弦桿、腹桿、下弦桿在雪載作用下平面內(nèi)、平面外穩(wěn)定強(qiáng)度應(yīng)力比最大值為 0.88 均＜1.00（滿足要求）。

桁架位移計算顯示：桁架跨中最大位移為 307.9 mm＞＞106.4 mm（屋架跨中撓跨限值L/250）。

承載力計算結(jié)果如表 2 所示，位移計算結(jié)果如表 3 所示，構(gòu)件單元如圖 3 所示。

表2 單榀剛架承載力計算結(jié)果

表3 位移計算結(jié)果 mm

4 倒塌原因分析

由計算結(jié)果和鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場倒塌情以及檢測結(jié)果綜合判斷，結(jié)構(gòu)倒塌主要分析如下。

根據(jù)結(jié)構(gòu)承載力復(fù)核計算：鋼柱的強(qiáng)度應(yīng)力比、穩(wěn)定強(qiáng)度應(yīng)力比均超過雪載工況下的應(yīng)力比，雖然桁架梁桿件承載能力滿足要求，但是整體桁架在恒載+雪載作用下產(chǎn)生的計算撓度值大于允許撓度值。結(jié)構(gòu)倒塌是個動態(tài)變化的過程，結(jié)構(gòu)的受力情況及變形情況時刻發(fā)生著變化，根據(jù)撓度公式，如式（1）所示。

式中：W為跨中最大位移，mm，q為均布線荷載，kN/m，L為跨度，mm，E為彈性模量，N/mm2；I為截面慣性矩，mm4。

桁架梁的跨度、抗彎剛度，均為不變量，隨著雪載q的逐漸增大，桁架梁跨中節(jié)點位移W也逐漸增大，桁架的變形使得梁柱剛性節(jié)點產(chǎn)生角位移，變形傳遞至梁柱剛性節(jié)點，使得節(jié)點產(chǎn)生角位移增加。根據(jù)承載力驗算結(jié)果，鋼柱的平面內(nèi)穩(wěn)定強(qiáng)度最弱（鋼柱平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力比為 2.56，大于平面外穩(wěn)定應(yīng)力比及強(qiáng)度應(yīng)力比），鋼柱平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力最先達(dá)到極限，出現(xiàn)鋼柱在平面內(nèi)失穩(wěn)，所以出現(xiàn)柱頂發(fā)生彎折破壞，從而導(dǎo)致整個鋼結(jié)構(gòu)大棚整體倒塌。

由于梁柱節(jié)點焊縫施工質(zhì)量差，焊縫未焊透，導(dǎo)致鋼柱在柱頂焊接區(qū)形成應(yīng)力集中，并在柱平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力達(dá)到極限時應(yīng)力集中區(qū)最先發(fā)生破壞，破壞形式表現(xiàn)為柱頂彎折、柱頭節(jié)點斷裂、焊縫斷裂等。

根據(jù)上述倒塌情況分析，總結(jié)查找出原因如下所述。

4.1 設(shè)計原因

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時未按照規(guī)程選取合適的構(gòu)件截面尺寸，該鋼柱截面尺寸不能滿足承載力、剛度和穩(wěn)定性的要求，應(yīng)選擇直徑、壁厚合理的立柱，鋼桁架選型不滿足變形的要求，宜選擇抗彎剛度大的三角形斷面或梯形斷面，同時鋼桁架也要滿足承載能力、穩(wěn)定性的要求。

4.2 焊縫質(zhì)量

該鋼結(jié)構(gòu)上部連接主要為焊縫連接，焊縫質(zhì)量設(shè)計等級為二級焊縫。但在上部結(jié)構(gòu)焊縫施工過程中存在諸多問題：對接焊縫未融透，部分焊縫未滿焊，焊縫表面有裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，焊縫缺陷造成了應(yīng)力集中，使構(gòu)件在焊縫部分形成相對薄弱區(qū)，加劇結(jié)構(gòu)、構(gòu)件破壞的風(fēng)險。

5 結(jié)語

本案例是由于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件選型、鋼結(jié)構(gòu)焊縫施工質(zhì)量差造成的雪載下整體倒塌事故，表明桁架結(jié)構(gòu)選型非常重要。為避免形成“強(qiáng)梁弱柱”，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意桁架梁、柱的剛度協(xié)調(diào)；桁架結(jié)構(gòu)梁的變形是結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要誘因，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)加強(qiáng)桁架梁變形控制的計算；焊接質(zhì)量是影響桁架結(jié)構(gòu)安全的重要因素，焊縫施工質(zhì)量不過關(guān)，會使結(jié)構(gòu)在焊縫處形成應(yīng)力集中，增加結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)在承載時易發(fā)生脆性破壞。Q