汪 謀

輕型鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)改進(jìn)截面形式的承載效率，以較少的材料實(shí)現(xiàn)了較大的負(fù)荷能力。但這種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，超靜定次數(shù)少，結(jié)構(gòu)冗余度小，對(duì)自身缺陷和外界影響的敏感性強(qiáng)[1]，進(jìn)而導(dǎo)致在施工和使用過(guò)程中，輕型鋼結(jié)構(gòu)的安全事故時(shí)有發(fā)生。2008年初發(fā)生在中國(guó)南方的雪災(zāi)使輕鋼廠房經(jīng)受了前所未有的考驗(yàn)。暴雪致使大量輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房破壞甚至整體倒塌，因而有必要進(jìn)一步研究輕型鋼結(jié)構(gòu)在大風(fēng)雪下的工作性能和破壞形式。

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外近年來(lái)暴雪導(dǎo)致輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑破壞的事故，歸納了雪災(zāi)導(dǎo)致的輕型鋼結(jié)構(gòu)破壞的形式，分析了結(jié)構(gòu)破壞的原因。最后，本文在今后此類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雪壓取值、結(jié)構(gòu)形式和支撐體系的選擇、廠房使用過(guò)程中的檢查和維護(hù)等方面作了思考。

1 雪災(zāi)中輕型鋼結(jié)構(gòu)的破壞形式

1.1 檁條彎扭失穩(wěn)破壞

當(dāng)檁條高度偏小，截面不足時(shí)，無(wú)法承受巨大的暴雪荷載，發(fā)生彎扭失穩(wěn)破壞。如果一個(gè)開(kāi)間檁條破壞而掉落后，鋼架之間如果沒(méi)有足夠的連接，會(huì)使得剛架在鄰跨的不均勻荷載作用下發(fā)生扭曲而破壞，承載力喪失[1]?；r(shí)產(chǎn)生的不均勻荷載對(duì)鋼架有不利影響，使得陰面倒塌面積比陽(yáng)面小。

1.2 剛架平面外失穩(wěn)破壞

在暴雪中，巨大的雪荷載使得剛架梁在彎矩作用下，下翼緣受壓屈曲，平面外失穩(wěn)。如果一段梁發(fā)生破壞，會(huì)導(dǎo)致相鄰柱承受不均勻荷載而發(fā)生平面外失穩(wěn)破壞，并形成連鎖效應(yīng)[2]。如果能按要求布置隅承，則可能避免此類(lèi)破壞形式的發(fā)生。

1.3 剛架梁平面內(nèi)失穩(wěn)破壞

如果剛架梁的截面過(guò)小，無(wú)法承受巨大的雪荷載，則會(huì)在彎矩作用下發(fā)生平面內(nèi)的整體失穩(wěn)破壞。雪荷載作用下，梁跨中上翼緣受壓先屈曲(其截面較小，本身就容易成為薄弱部分，此時(shí)梁撓度最大，屋面也最容易積雪，使屋面載荷加大)。失穩(wěn)破壞時(shí)梁向下彎折，而彎折更使屋面雪向彎折的中部滑動(dòng)集中，形成更大的載荷，梁柱節(jié)點(diǎn)處彎矩瞬間大增，致使此處梁下緣也屈曲而破壞[3]。梁失穩(wěn)后，給鄰間檁條產(chǎn)生大的拉力和扭矩，致使其在多個(gè)力的作用下扭曲。

1.4 節(jié)點(diǎn)破壞

剛架主體節(jié)點(diǎn)一般都有較大的安全儲(chǔ)備，在雪災(zāi)中發(fā)生破壞的往往是圍護(hù)結(jié)構(gòu)和次結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)(見(jiàn)圖1)。此類(lèi)節(jié)點(diǎn)破壞后，引起的局部破壞經(jīng)常導(dǎo)致荷載分布不均勻，而致使廠房的其他部分連鎖破壞。

1.5 次要結(jié)構(gòu)破壞

輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑的次結(jié)構(gòu)的破壞，如雨棚、連廊等也是容易發(fā)生破壞的部位。當(dāng)雨棚在雪荷載作用下，與廠房主體連接的節(jié)點(diǎn)破壞是很典型的設(shè)計(jì)問(wèn)題所致。

1.6 支撐體系失效

單層門(mén)架結(jié)構(gòu)中，支撐體系的設(shè)計(jì)非常重要，剛架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及平面外計(jì)算長(zhǎng)度、軸壓比等均需借助一些支撐來(lái)保證。

2 輕型鋼結(jié)構(gòu)破壞的原因分析

2.1 雪荷載大且分布不均

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》五十年一遇的雪壓，湘潭市的雪荷載設(shè)計(jì)值取0.45 kN/m2[4，5]，在實(shí)際的雪災(zāi)調(diào)查中，發(fā)現(xiàn)在坍塌的廠房中屋面積雪(含冰)最厚的為16 cm，最薄的為 12 cm，雪荷載約為0.6 kN/m2～0.8 kN/m2，大大超出了設(shè)計(jì)荷載值，這可能是導(dǎo)致大量廠房坍塌的主要原因。此外，風(fēng)雪共同作用導(dǎo)致破壞更加嚴(yán)重，這種不利荷載同時(shí)發(fā)生的概率較大。

GB 50009-2001荷載規(guī)范在6.2.2條對(duì)雪荷載取值做了規(guī)定[5]。但如果設(shè)計(jì)荷載取值后由程序自動(dòng)計(jì)算并組合，而在施工圖紙上一些局部處理缺少標(biāo)識(shí)，如女兒墻和檐口處積雪積水，特別是堆積結(jié)凍的雪水，使荷載增大、檐口及轉(zhuǎn)角風(fēng)荷增大等情況使屋面結(jié)構(gòu)受力增大，部分構(gòu)件失穩(wěn)從而引起整體倒塌。

2.2 設(shè)計(jì)原因

1)為了降低工程造價(jià)而過(guò)分優(yōu)化設(shè)計(jì)，把鋼材強(qiáng)度用到極限，未考慮到材料的負(fù)偏差及企業(yè)制作、安裝水平等影響。2)廠房沒(méi)有設(shè)置足夠柱間斜撐。《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定:當(dāng)建筑物寬度大于60 m時(shí)，在內(nèi)柱宜適當(dāng)增加柱間支撐[5]。如果在廠房的設(shè)計(jì)中未加以考慮，當(dāng)雪荷載超過(guò)一定范圍時(shí)，鋼柱之間沒(méi)有足夠的平面外支撐，容易造成鋼柱的平面外失穩(wěn)，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。3)忽視了支撐系統(tǒng)的作用，廠房整體性差。常見(jiàn)的設(shè)計(jì)失誤:a.柱間支撐只設(shè)在邊柱列，對(duì)內(nèi)柱(包括搖擺柱)列沒(méi)有設(shè)置，造成屋面在內(nèi)柱間水平支撐(桁架)缺少支座;b.用檁條代替屋面水平支撐的剛性系桿，但缺少對(duì)檁條的驗(yàn)算和加強(qiáng)構(gòu)造措施，造成實(shí)際上剛性系桿的剛性不夠，不能起到水平支撐桁架內(nèi)豎向壓桿的作用。縱向剛性系桿除在屋脊、檐口處設(shè)置外，有一些部位如天窗架柱支座處、剛架梁轉(zhuǎn)折處等沒(méi)有設(shè)置，導(dǎo)致雪災(zāi)事故中部分鋼梁接頭處損壞等現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)。

2.3 施工問(wèn)題

1)施工單位采購(gòu)的材料質(zhì)量不符合要求，甚至采用低強(qiáng)度鋼材代替高強(qiáng)度鋼材。這使得建成的廠房結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的安全隱患，在巨大的雪荷載作用下很容易發(fā)生破壞。2)鋼結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量未達(dá)到要求。在鋼結(jié)構(gòu)加工廠，未能按照?qǐng)D紙加工構(gòu)件。例如:構(gòu)件板件厚度比設(shè)計(jì)要求薄，構(gòu)件截面尺寸偏小，焊接質(zhì)量差等。3)未能按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)O(shè)置廠房連接構(gòu)造和支撐結(jié)構(gòu)。在施工過(guò)程中，一味貪圖施工方便、降低成本，造成連接構(gòu)造不合格;不設(shè)置必要的支撐，如隅撐、柱間支撐、屋面水平支撐等，使廠房整體工作性能差。連續(xù)檁條在施工中未按要求的長(zhǎng)度搭接，使得檁條達(dá)不到連續(xù)檁的工作性能，這是2008年雪災(zāi)中導(dǎo)致連續(xù)檁條失穩(wěn)的一個(gè)重要原因(見(jiàn)圖3)。4)安裝問(wèn)題。未按施工規(guī)范安裝構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)的工作性能達(dá)不到要求。例如:柱腳不按設(shè)計(jì)設(shè)置抗剪鍵、高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力未達(dá)要求、安裝定位偏差過(guò)大等(見(jiàn)圖4)。

2.4 使用中無(wú)維護(hù)

在廠房交付使用后，沒(méi)有執(zhí)行定期檢查和日常維護(hù)，比如:螺栓及連接件的生銹，或者周?chē)睗竦沫h(huán)境使鋼結(jié)構(gòu)容易生銹，而未采取措施，久而久之鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件銹蝕加劇，從而降低構(gòu)件的承載力，以致影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力甚至危及結(jié)構(gòu)安全。

3 防止雪災(zāi)的注意事項(xiàng)

1)為保證輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房在雪災(zāi)中良好的工作性能，應(yīng)當(dāng)按照規(guī)范設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，細(xì)致考慮結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)可能遇到的各種情況，設(shè)計(jì)條件與實(shí)際情況符合，設(shè)計(jì)計(jì)算假定、簡(jiǎn)圖與圖紙構(gòu)造一致。合理地設(shè)置支撐系統(tǒng)可以保證廠房整體的工作性能。2)工程建設(shè)要嚴(yán)格按照建設(shè)程序執(zhí)行;工程設(shè)計(jì)要選用正規(guī)的設(shè)計(jì)單位，出具正式的設(shè)計(jì)圖紙，并且嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙施工。3)定期對(duì)廠房進(jìn)行安全檢查和維護(hù)。鋼結(jié)構(gòu)廠房受材料特點(diǎn)的限制，使用時(shí)需要按時(shí)維護(hù)、防腐處理;大雪來(lái)臨之時(shí)，更應(yīng)及時(shí)對(duì)建筑進(jìn)行全面的健康檢查。4)雪災(zāi)發(fā)生后積極進(jìn)行防控和救治。大雪主要是產(chǎn)生豎向荷載，荷載穩(wěn)定增加，沒(méi)有沖擊力，但持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng);由于溫度過(guò)低會(huì)產(chǎn)生累積;天溝凍結(jié)后還會(huì)造成荷載積聚檐口的特點(diǎn)，因此應(yīng)當(dāng)及時(shí)除雪卸載，并避免雪荷載分布不均，尤其是自身傳力復(fù)雜，可靠度相對(duì)低的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在今后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雪壓取值應(yīng)該考慮加大。隨著氣候環(huán)境的變化，在制定建筑結(jié)構(gòu)荷載標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮到“與時(shí)俱進(jìn)”。2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和支撐體系。3)加強(qiáng)對(duì)雪災(zāi)的預(yù)警，并且迅速做出反應(yīng)，盡可能及時(shí)除雪減壓。4)雖然許多房屋沒(méi)有出現(xiàn)倒塌，但仍存在不少問(wèn)題。超載還會(huì)引起鋼梁不可恢復(fù)性變形，造成建筑物的抗強(qiáng)風(fēng)能力顯著下降，而屋面的下?lián)蠒?huì)導(dǎo)致屋面排水不暢，容易漏水，修復(fù)困難。

[1] 沈祖炎，陳以一.房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 舒贛平，王恒華.輕型鋼結(jié)構(gòu)民用與工業(yè)建筑設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2006.

[3] 張其林.輕型門(mén)式剛架[M].濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[4] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006版)[S].

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[8] 徐益華.輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.