某生物質(zhì)電廠鋼質(zhì)灰?guī)斓顾鹿史治?/h1>
2014-12-06 04:09:58吳海英陳乾星
安徽建筑 2014年6期
吳海英，陳乾星
（1.山西大學(xué)，山西 太原 030013；2.北京德普新源科技發(fā)展有限公司，北京 100027）
1 倒塌事故概況
2011年初，我國東部某生物質(zhì)電廠200m3鋼質(zhì)灰?guī)煸谠囘\(yùn)行過程中發(fā)生坍塌，事故所幸未造成人員傷亡。灰?guī)斓顾芭c倒塌后的情況如圖1、2所示。事故發(fā)生后，通過對原灰?guī)煸O(shè)計單位結(jié)構(gòu)圖紙審查及對安裝過程文件和倒塌結(jié)構(gòu)現(xiàn)場調(diào)研，從設(shè)計、施工等多方面對該灰?guī)斓牡顾蜻M(jìn)行了分析。
圖1 灰?guī)斓顾叭?/p>
圖2 灰?guī)斓顾F(xiàn)場
倒塌灰?guī)鞛橐蛔莘e200m3的鋼質(zhì)灰?guī)?，積灰密度介于0.5ton/m3～0.7 ton/m3之間,積灰溫度120℃左右?；?guī)毂倔w直筒部分板厚為8mm，灰斗部分板厚為10mm，灰?guī)斓撞繛殄F形?；?guī)焱ㄟ^設(shè)置在本體中部的4個牛腿置于下部支撐鋼結(jié)構(gòu)上。
倒塌灰?guī)煜虏恐武摻Y(jié)構(gòu)原設(shè)計為柱距6m×6m、高度12.87m的框架支撐結(jié)構(gòu)體系，分別在兩個方向設(shè)置支撐，由于運(yùn)輸車輛通行需要，其中一個方向底層未設(shè)置支撐。柱采用HW400×400，標(biāo)高12.87m處柱間梁采用HW300×300，標(biāo)高8.91m處柱間梁采用2[20a槽鋼，標(biāo)高5.0m處柱間梁采用2[25a槽鋼，支撐均采用L100×100×16角鋼，梁柱間節(jié)點(diǎn)采用鉸接方式連接，材質(zhì)均為Q235-B。計算簡圖見圖3。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)核
2.1 強(qiáng)度驗算
圖3 鋼灰?guī)煊嬎愫唸D
圖4 鋼灰?guī)靹偧苤螐?qiáng)度校核結(jié)果
在運(yùn)行狀態(tài)下，灰?guī)靸?nèi)積灰隨時產(chǎn)生隨時清理，一般情況下不會達(dá)到設(shè)計容積的2/3。考慮到該灰?guī)煸谠囘\(yùn)行階段即發(fā)生倒塌，故利用STAAD計算軟件僅對倒塌灰?guī)旆e灰達(dá)到設(shè)計容積2/3的情況進(jìn)行了強(qiáng)度驗算，驗算結(jié)果如圖4所示。支撐構(gòu)件在該荷載條件下，設(shè)計強(qiáng)度不滿足要求。驗算結(jié)果表明隱患早已埋下，一旦滿負(fù)荷運(yùn)行，該灰?guī)毂厝粫l(fā)生問題。
2.2 剛度驗算
通過計算發(fā)現(xiàn)，在積灰僅達(dá)到設(shè)計容積2/3的情況下，灰?guī)炫Ｍ认碌闹瘟杭串a(chǎn)生較大的撓度，從灰?guī)斓顾暗膱D5，亦證實(shí)這種情況的存在。由于牛腿下部的支撐梁產(chǎn)生較大的豎向變形，使得該梁下部豎向支撐亦發(fā)生了相應(yīng)的明顯的屈曲變形。究其原因：原設(shè)計所采用的梁的截面高度，即有效剛度不足，支撐的剛度不滿足要求。
圖5 支撐梁下豎向支撐的屈曲變形
2.3 穩(wěn)定性驗算
在倒塌灰?guī)炫Ｍ仍O(shè)計中，存在以下幾方面的問題導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)破壞。
①牛腿直接擱置于下部支撐鋼梁上，未采用能有效降低牛腿底面和鋼梁頂面摩擦系數(shù)的節(jié)點(diǎn)形式，因此，灰?guī)毂倔w在積灰的溫度作用下，產(chǎn)生徑向膨脹，通過牛腿在鋼梁頂面產(chǎn)生一個垂直于弱軸方向的水平力，繼而對鋼梁產(chǎn)生一個扭矩。
②構(gòu)造不當(dāng)。在梁的上翼緣受有較大固定集中荷載處，根據(jù)文獻(xiàn)[1]宜設(shè)置支承加勁肋。而在該牛腿荷載作用點(diǎn)處，支撐鋼梁對應(yīng)位置未設(shè)置加勁肋，故在荷載作用下易發(fā)生局部失穩(wěn)。
③節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不合理，梁柱連接采用了鉸接方式，這種連接方式很難對水平力和扭矩產(chǎn)生有效的約束，而且容易發(fā)生梁端截面的扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生整體失穩(wěn)。
從設(shè)計角度來說，設(shè)計基本沒有經(jīng)過嚴(yán)格計算。該工程從出現(xiàn)破壞先兆到倒塌持續(xù)時間，結(jié)構(gòu)安全儲備嚴(yán)重不足。假如在設(shè)計過程中梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛結(jié)，增加結(jié)構(gòu)的多于約束；牛腿支座采用摩擦系數(shù)較小的滑動支座，如聚四氟乙烯橡膠支座、梁荷載作用點(diǎn)處增加支承加勁肋均等方法，還是能夠有效的避免該事故的發(fā)生。
3 施工質(zhì)量分析
從現(xiàn)場清理出來的廢墟看，現(xiàn)場施工質(zhì)量粗劣、不規(guī)范且監(jiān)理不到位是導(dǎo)致本次灰?guī)斓顾牧硪恢饕?，在整個施工過程中，缺少焊前、焊中、焊后檢驗完整過程[3]。
其主要表現(xiàn)如下：
①該灰?guī)飕F(xiàn)場作業(yè)人員在施工時未開展有效教育培訓(xùn)，在所有焊接人員均無特種作業(yè)資格即開始施工。
②焊條不符合規(guī)定，未考慮現(xiàn)場溫度及濕度變化，同時焊接工藝及順序有誤。如：直角角焊縫在第一道焊縫施工時，通常焊條應(yīng)采用4mm直徑以下焊條，以避免直角處形成空腔，但根據(jù)現(xiàn)場記錄及購貨單，該工程焊接時采用的均為5mm直徑以上焊條。
③現(xiàn)場鋼材存儲不當(dāng)，型鋼在現(xiàn)場露天堆放，未采取有效防護(hù)，在尚未施焊的情況下即已造成鋼材局部銹蝕。
④焊縫接觸面處理不當(dāng)，在鋼材焊接時，沒有及時有效的采取除銹措施；同時在焊接完成后亦未采取其他有效措施，如刷防腐油漆等方法，致使焊縫處氧化腐蝕。
⑤焊接質(zhì)量不過關(guān)，從現(xiàn)場施工記錄來看，施焊時，焊接電壓不穩(wěn)，電流過大或過小，導(dǎo)致焊材和母材結(jié)合不透，且部分位置施焊不連續(xù)。另外，從焊縫外觀即可發(fā)現(xiàn)多種問題，包括未焊滿、咬邊、夾渣、表面氣孔、根部收縮、接頭不良等。焊接破壞如圖6所示。
圖6 焊接接口破壞
4 吸取的教訓(xùn)
隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，全國各地的各種建設(shè)項目快速增加，為了片面追求經(jīng)濟(jì)效益，不惜違背經(jīng)濟(jì)規(guī)律，違反基本建設(shè)程序，忽視工程質(zhì)量和安全，不進(jìn)行項目管理等，給結(jié)構(gòu)的安全留下了較大的隱患。而一旦出現(xiàn)事故，結(jié)構(gòu)整體倒塌后，整個結(jié)構(gòu)全部報廢，人的生命受到巨大的威脅，財產(chǎn)也有巨大的損失。因此，對于這種事故應(yīng)以從以下幾方面防范。
①政府工程建設(shè)主管部門、政府質(zhì)監(jiān)機(jī)構(gòu)應(yīng)加大執(zhí)法巡查力度，對違反基本建設(shè)程序、忽視工程質(zhì)量和安全的工程堅決予以查處。監(jiān)理單位對施工過程的質(zhì)量和安全嚴(yán)格控制把關(guān)，確保工程建設(shè)質(zhì)量和安全，提高工程建設(shè)水平。
②目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗及水平較低，缺乏工程背景，過分依賴先進(jìn)的各種設(shè)計軟件，人工干預(yù)的能力差。因此，工程設(shè)計應(yīng)由有相應(yīng)資質(zhì)的設(shè)計單位進(jìn)行，設(shè)計人員應(yīng)強(qiáng)化設(shè)計理念。工程在施工中嚴(yán)禁改變結(jié)構(gòu)受力體系，需要改變使用功能的，需由原設(shè)計單位通過計算后作出設(shè)計變更。
③施工單位應(yīng)合理的制作和安裝。提高技術(shù)工人和管理工人的素養(yǎng)。嚴(yán)格遵守工藝制作規(guī)程，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范檢查驗收，嚴(yán)禁隨意修改施工圖，避免制作尺寸的偏離過大，將對結(jié)構(gòu)承載力影響大的初彎曲、初偏心、殘余應(yīng)力等缺陷減到最小程度。
[1]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2003.
[2]雷宏剛.鋼結(jié)構(gòu)事故分析與處理[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2003.
[3]GB50661-2011,鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.
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圖1 灰?guī)斓顾叭?/p>
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倒塌灰?guī)煜虏恐武摻Y(jié)構(gòu)原設(shè)計為柱距6m×6m、高度12.87m的框架支撐結(jié)構(gòu)體系，分別在兩個方向設(shè)置支撐，由于運(yùn)輸車輛通行需要，其中一個方向底層未設(shè)置支撐。柱采用HW400×400，標(biāo)高12.87m處柱間梁采用HW300×300，標(biāo)高8.91m處柱間梁采用2[20a槽鋼，標(biāo)高5.0m處柱間梁采用2[25a槽鋼，支撐均采用L100×100×16角鋼，梁柱間節(jié)點(diǎn)采用鉸接方式連接，材質(zhì)均為Q235-B。計算簡圖見圖3。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)核
2.1 強(qiáng)度驗算
圖3 鋼灰?guī)煊嬎愫唸D
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2.2 剛度驗算
通過計算發(fā)現(xiàn)，在積灰僅達(dá)到設(shè)計容積2/3的情況下，灰?guī)炫Ｍ认碌闹瘟杭串a(chǎn)生較大的撓度，從灰?guī)斓顾暗膱D5，亦證實(shí)這種情況的存在。由于牛腿下部的支撐梁產(chǎn)生較大的豎向變形，使得該梁下部豎向支撐亦發(fā)生了相應(yīng)的明顯的屈曲變形。究其原因：原設(shè)計所采用的梁的截面高度，即有效剛度不足，支撐的剛度不滿足要求。
圖5 支撐梁下豎向支撐的屈曲變形
2.3 穩(wěn)定性驗算
在倒塌灰?guī)炫Ｍ仍O(shè)計中，存在以下幾方面的問題導(dǎo)致構(gòu)件失穩(wěn)破壞。
①牛腿直接擱置于下部支撐鋼梁上，未采用能有效降低牛腿底面和鋼梁頂面摩擦系數(shù)的節(jié)點(diǎn)形式，因此，灰?guī)毂倔w在積灰的溫度作用下，產(chǎn)生徑向膨脹，通過牛腿在鋼梁頂面產(chǎn)生一個垂直于弱軸方向的水平力，繼而對鋼梁產(chǎn)生一個扭矩。
②構(gòu)造不當(dāng)。在梁的上翼緣受有較大固定集中荷載處，根據(jù)文獻(xiàn)[1]宜設(shè)置支承加勁肋。而在該牛腿荷載作用點(diǎn)處，支撐鋼梁對應(yīng)位置未設(shè)置加勁肋，故在荷載作用下易發(fā)生局部失穩(wěn)。
③節(jié)點(diǎn)構(gòu)造不合理，梁柱連接采用了鉸接方式，這種連接方式很難對水平力和扭矩產(chǎn)生有效的約束，而且容易發(fā)生梁端截面的扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生整體失穩(wěn)。
從設(shè)計角度來說，設(shè)計基本沒有經(jīng)過嚴(yán)格計算。該工程從出現(xiàn)破壞先兆到倒塌持續(xù)時間，結(jié)構(gòu)安全儲備嚴(yán)重不足。假如在設(shè)計過程中梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛結(jié)，增加結(jié)構(gòu)的多于約束；牛腿支座采用摩擦系數(shù)較小的滑動支座，如聚四氟乙烯橡膠支座、梁荷載作用點(diǎn)處增加支承加勁肋均等方法，還是能夠有效的避免該事故的發(fā)生。
3 施工質(zhì)量分析
從現(xiàn)場清理出來的廢墟看，現(xiàn)場施工質(zhì)量粗劣、不規(guī)范且監(jiān)理不到位是導(dǎo)致本次灰?guī)斓顾牧硪恢饕?，在整個施工過程中，缺少焊前、焊中、焊后檢驗完整過程[3]。
其主要表現(xiàn)如下：
①該灰?guī)飕F(xiàn)場作業(yè)人員在施工時未開展有效教育培訓(xùn)，在所有焊接人員均無特種作業(yè)資格即開始施工。
②焊條不符合規(guī)定，未考慮現(xiàn)場溫度及濕度變化，同時焊接工藝及順序有誤。如：直角角焊縫在第一道焊縫施工時，通常焊條應(yīng)采用4mm直徑以下焊條，以避免直角處形成空腔，但根據(jù)現(xiàn)場記錄及購貨單，該工程焊接時采用的均為5mm直徑以上焊條。
③現(xiàn)場鋼材存儲不當(dāng)，型鋼在現(xiàn)場露天堆放，未采取有效防護(hù)，在尚未施焊的情況下即已造成鋼材局部銹蝕。
④焊縫接觸面處理不當(dāng)，在鋼材焊接時，沒有及時有效的采取除銹措施；同時在焊接完成后亦未采取其他有效措施，如刷防腐油漆等方法，致使焊縫處氧化腐蝕。
⑤焊接質(zhì)量不過關(guān)，從現(xiàn)場施工記錄來看，施焊時，焊接電壓不穩(wěn)，電流過大或過小，導(dǎo)致焊材和母材結(jié)合不透，且部分位置施焊不連續(xù)。另外，從焊縫外觀即可發(fā)現(xiàn)多種問題，包括未焊滿、咬邊、夾渣、表面氣孔、根部收縮、接頭不良等。焊接破壞如圖6所示。
圖6 焊接接口破壞
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①政府工程建設(shè)主管部門、政府質(zhì)監(jiān)機(jī)構(gòu)應(yīng)加大執(zhí)法巡查力度，對違反基本建設(shè)程序、忽視工程質(zhì)量和安全的工程堅決予以查處。監(jiān)理單位對施工過程的質(zhì)量和安全嚴(yán)格控制把關(guān)，確保工程建設(shè)質(zhì)量和安全，提高工程建設(shè)水平。
②目前鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗及水平較低，缺乏工程背景，過分依賴先進(jìn)的各種設(shè)計軟件，人工干預(yù)的能力差。因此，工程設(shè)計應(yīng)由有相應(yīng)資質(zhì)的設(shè)計單位進(jìn)行，設(shè)計人員應(yīng)強(qiáng)化設(shè)計理念。工程在施工中嚴(yán)禁改變結(jié)構(gòu)受力體系，需要改變使用功能的，需由原設(shè)計單位通過計算后作出設(shè)計變更。
③施工單位應(yīng)合理的制作和安裝。提高技術(shù)工人和管理工人的素養(yǎng)。嚴(yán)格遵守工藝制作規(guī)程，按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范檢查驗收，嚴(yán)禁隨意修改施工圖，避免制作尺寸的偏離過大，將對結(jié)構(gòu)承載力影響大的初彎曲、初偏心、殘余應(yīng)力等缺陷減到最小程度。
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