張凱靜 周建文

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

1 概述

門(mén)式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)是單層工業(yè)廠房中一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式。這類(lèi)結(jié)構(gòu)形式的最大特點(diǎn)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(duì)一起門(mén)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(chǎng)的破壞情況，結(jié)合第三方取樣檢測(cè)、結(jié)構(gòu)計(jì)算等對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房倒塌原因進(jìn)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(mén)式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)廠房縱向長(zhǎng)82.4 m(13跨)，橫向長(zhǎng)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。基礎(chǔ)采用柱下管樁基礎(chǔ)，經(jīng)計(jì)算一柱一樁，承臺(tái)間設(shè)置基礎(chǔ)梁?；A(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(hù)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(shí)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(chǎng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了檢測(cè)和技術(shù)鑒定。

表1 現(xiàn)場(chǎng)安裝情況調(diào)查

從表1可以看出，結(jié)構(gòu)抗風(fēng)柱、隅撐未安裝，水平支撐未安裝完，柱腳處未進(jìn)行二次澆筑。根據(jù)氣象資料，事發(fā)當(dāng)時(shí)，風(fēng)速較大，極大風(fēng)速達(dá)到13.3 m/s(6級(jí)風(fēng))。建筑倒塌方向?yàn)長(zhǎng)軸向A軸方向(見(jiàn)圖1)。倒塌現(xiàn)場(chǎng)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與基礎(chǔ)短柱連接處混凝土多處開(kāi)裂，部分混凝土破碎(見(jiàn)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(jìn)行混凝土二次澆灌(見(jiàn)圖3)，柱腳與混凝土短柱間未見(jiàn)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(jiàn)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(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽檢，所檢梁、柱、系桿、檁條、地腳螺栓尺寸符合設(shè)計(jì)要求。該工程鋼結(jié)構(gòu)主構(gòu)件鋼板力學(xué)性能均符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

對(duì)承臺(tái)及混凝土短柱鉆取芯樣，檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果表明所檢構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度推定值達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求(見(jiàn)表2)。

表2 承臺(tái)及混凝土短柱混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

3.2 設(shè)計(jì)方面

1)主體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

原設(shè)計(jì)采用中國(guó)建筑科學(xué)院PKPM2010等系列軟件V4.1版本，現(xiàn)采用3d3s軟件14.1.9版對(duì)原設(shè)計(jì)重新校核。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，該工程主體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范的規(guī)定(見(jiàn)圖8)。

2)柱腳錨栓。

廠房原設(shè)計(jì)柱腳錨栓為4根M24，柱腳連接為鉸接。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，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(duì)該廠房剛架安裝完成后，未及時(shí)按照原設(shè)計(jì)要求采用C40微膨脹自流性細(xì)石混凝土填實(shí)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錨栓的破壞形式，對(duì)坍塌前已安裝剛架在自重和風(fēng)荷載組合作用下的實(shí)際受力情況進(jìn)行承載力驗(yàn)算。該地區(qū)氣象局觀測(cè)站提供的2019年11月17日18時(shí)至20時(shí)，最大風(fēng)速為13.3 m/s，其風(fēng)力為6級(jí)。計(jì)算出風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.11 kN/m2，該值小于設(shè)計(jì)值的0.35 kN/m2。在自重及風(fēng)荷載作用下對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(chǎng)調(diào)查情況，梁柱連接處無(wú)明顯破壞，梁、柱未見(jiàn)明顯局部變形，可推斷出：結(jié)構(gòu)在自重及風(fēng)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(guò)程中產(chǎn)生。

結(jié)構(gòu)倒塌是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，結(jié)構(gòu)受力情況時(shí)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(fēng)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(dāng)?shù)啬_螺栓正常工作時(shí)，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(gè)柱腳四個(gè)錨栓計(jì)算，則單個(gè)錨栓的反力為：N=101.8 kN，V=0.34 kN。

強(qiáng)度驗(yàn)算：

穩(wěn)定性驗(yàn)算：

由計(jì)算可知：在風(fēng)荷載作用的瞬間，錨栓實(shí)際受力已超過(guò)其本身的承載能力。實(shí)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(jìn)一步削弱。因此，縱向風(fēng)壓作用時(shí)，錨栓不會(huì)立即發(fā)生破壞，但會(huì)表現(xiàn)為鋼柱以柱腳為軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。假定考慮地腳螺栓傾斜θ=5°，風(fēng)荷載和剛架在自重作用下，以一個(gè)柱腳四個(gè)錨栓計(jì)算，則單個(gè)錨栓的反力為：

M=Nx=101.8×0.05×tan5°=0.445 kN·m。

強(qiáng)度驗(yàn)算：

穩(wěn)定性驗(yàn)算：

596.4 MPa≥205 MPa。

由驗(yàn)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(chǎng)施工順序錯(cuò)誤。

依據(jù)GB 51022—2015門(mén)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(shí)安裝好其間的檁條、支撐、隅撐等，并檢查其垂直度，必要時(shí)增設(shè)纜風(fēng)繩充分固定。以這兩榀剛架為起點(diǎn)，向房屋另一端順序安裝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，倒塌區(qū)內(nèi)除抗風(fēng)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(jì)要求。沒(méi)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(méi)有形成空間剛度單元。

2)現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)施工質(zhì)量差。

鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，柱腳錨栓預(yù)留二次澆灌層高度大于設(shè)計(jì)高度，混凝土對(duì)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(diǎn)剛度降低。未加楔形墊塊，柱腳板上部?jī)H有一個(gè)螺栓，基礎(chǔ)頂部標(biāo)高低于設(shè)計(jì)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(tái)及混凝土短柱混凝土強(qiáng)度推定值達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

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