某大跨结构事故分析

某大跨度钢结构失稳事故分析涂立尚（长安大学建筑工程学院，陕西西安710064）摘要：钢结构因其受力可靠、强度大、截面小、重量轻等许多优点而被广泛应用于单层工业厂房的承重骨架和吊车梁、大跨度建筑物的屋盖结构、大跨度桥梁、多层和高层结构等领域。但钢结构也有自身的问题。由于钢材强度高，杆件较为柔细，从而在设计和施工中稳定问题较为突出。本文通过对某大跨度轻钢结构的失稳事故原因全面分析了事故产生的原因。从建设、设计、施工等方面对其进行分析和总结。并针对所发现的问题对相关设计规范以及设计施工和日常管理等方面提出一些建议。关键词：大跨度；轻钢结构；失稳；事故分析；建议TheAnalysisonAccidentofLargeSpanandlightSteelStructureTuLi-shang（SchoolofCivilEngineering，Chang’anUniversity，xi’an710064）Abstract：Steelstructureforitsforce,reliable,high-intensity,smallcross-section,manyoftheadvantagesoflightweight,andarewidelyusedinload-bearingframeandcranegirdersingleindustrialplant,large-spanroofstructuresofbuildings,large-spanbridges,multilevelandareasofhigh-levelstructure.But,steelstructurealsohasitsownproblems.Duetothehighstrengthofsteel,therodismoresoft,thusstabilizingthedesignandconstructionproblemsaremoreprominent.Instabilitycauseoftheaccidenttoalargespanlightsteelproducedacomprehensiveanalysisofthecausesoftheaccidentofthispaper.Therearemanypotentialsafetyhazardsintheprocessofdesignconstructioninstallationandapplicationoflargespanlightsteelstructurewhichareinherentaccusationsfortheaccidents.Thereforesamesuggestionswithregardtorelatingcodesdesignconstructioninstallationandapplicationoflargespanlightsteelstructureareputforward.Keyword：Largespanlightsteelstructure;Instability;Accidentanalysis;Suggest0引言随着发达国家制造业基地的转移和我国制造业的快速发展,大跨度轻钢结构厂房的建设规模越来越大，特别是在东部沿海地区,大跨度厂房由于具有自重轻、用钢省、造价低,可跨越较大的跨度,制造安装简单,施工周期短等特点,几乎完全取代了其他结构形式的厂房。但由于这类厂房的设计施工相对简单,在设计、施工乃至监理、监督等方面的重视程度相对不足,实际工程中暴露出了很多危及结构安全的问题,有的已导致了严重的倒塌事故,给社会的生命财产造成了重大损失。如2005年12月,烟台、威海等地连日多雪,据调查,由于雪载作用而发生屋盖大变形、个别构件破坏、结构局部倒塌的轻钢工程达到100余栋,发生整体倒塌的也有20余栋,而其他类型的建筑则没有一例发生损坏或倒塌，虽然大跨度轻钢结构厂房的破坏或倒塌与偶然过大的雪荷载有关,但调查分析这类建筑破坏或倒塌的特点与原因,研究总结设计、施工等方面的问题,对提高结构的安全可靠性还是十分必要的。本文结合一典型工程整体倒塌的事故调查,提出并讨论了目前大跨度轻钢结构厂房设计、施工等方面应注意处理和解决的问题。1事故发生概况某区某洗涤机械厂为私营企业，该厂房为南北三跨，每跨14m，总宽为42m，东西长为78m，建筑面积3300m2。1995年建成，2005年威海市12月的持续降雪使厂房顶部积雪激增，但厂方并未及时安排人力进行清理，导致其屋面荷载过大，当时设计缺陷暴露，最终厂房发生垮塌。造成重大经济损失和人员伤亡。2失稳事故发生原因分析2.1外界天气方面2.1.1雪荷载过大根据国家荷载规范威海地区建筑屋面的基本雪压为0.45KN/m2积雪折算成厚度大约为0.35KN/m2。2005年12月持续降雪使雪荷载时即超过1.0KN/m22.1.2间接雪荷载大在强风的作用下积雪被风刮到房屋一侧大量积聚在女儿墙、高低跨、雨篷等部位导致局部雪荷载大大超过设计值。2.1.2.1女儿墙局部积雪当四周设有设女儿墙强风作用会使女儿墙内侧局部雪荷载过大造成结构破坏和倒塌。2.1.2.2局部突出建筑物局部积雪由于车间端部南山墙处与6m宽采光长廊连接采光廊顶比屋面高09m积雪厚度达到1+1.2m将屋面压型钢板压折檩条局部失稳室内压型钢板底板压折搭接处拉开有局部突出建筑物存在会造成屋面局部积雪过大因此会造成屋面变形或破坏。2.2设计原因2.2.1规范存在局限性建筑结构荷载规范GB50009在一定程度上存在局限性在基本雪压方面规定50年一遇基本雪压北方一般多为0.5《0.6KN/m2通过对近50年的基本血压分析结果表明一些地区基本雪压取值偏小建议在修订时应考虑将其提高在屋面积雪分布方面根据学在事故调查分析表明规范规定在某种程度上显得不够全面偏于不安全。2.2．2结构承载力储备小过度地优化用钢量导致屋面坡度越做越平，钢板厚度越来越薄造成承载力储备进一步降低抵御不了大风和暴雪的袭击。事故发生时其厂房几乎所有的C7T条都发生了侧向失稳破坏经调查原因是C7T条设计截面偏小造成C7T条在偶然的较大荷载作用下变形过大对主刚架梁产生较大的不利影响。2.2.3结构体系存在一定不合理门式刚架结构体系本身存在一定不足使得其抵抗雪灾的能力较差结构中C7T条对刚架梁平面外稳定起支撑作用刚架梁上下翼缘平面外稳定分别由C7T条和支撑保证而C7T条本身的稳定又多利用屋面板所提供的蒙皮效应来保证屋面板(C7T条与刚架梁之间约束的传递环环相扣且路线单一缺一不可)结构整体的稳定性较差。图一檩条尺寸偏小失稳2.2.4建筑外形不合理建筑外形造成的局部积雪作用非常明显，直接导致局部的积雪超载对于结构的受力性能而言，女儿墙往往造成不利影响特别是较高的女儿墙积雪非常明显高低屋面同样对积雪有较大影响这种积雪作用与结构形成高低屋面的方向有关，连续跨内天沟以及檐口顶棚同样也会造成大量的局部积雪进而使得局部的雪荷载大大超出了规范的设计值。2.2.5整体性不好该厂房由于结构体系杆件构造等存在着一定的不合理造成了结构的整体性不好在风雪中是十分薄弱的环节往往造成整体破坏倒塌。2.2.6忽视支撑结构大跨度轻钢结构的支撑体系非常重要刚架结构整体稳定等均需借助一些支撑来保证在雪灾中大量的坍塌工程被发现没有系杆或系杆不符合规范要求根本不能形成空间受力体系而且不设C7T条斜拉条的现象也十分常见还有屋脊和边C7T条也没有采用刚性的拉条C7T条不能形成平面外受力稳定体系在雪荷载达到一定程度时C7T条进入平面外失稳状态刚架就失去了平面外的支撑整个结构随即失稳。图二钢架平面外失稳失稳2.2.7结构整体刚度差此大跨度轻钢结构刚度太差屋架杆件用材偏小太多，在12《18m的大跨度工业厂房屋盖上采用30mmA30的角钢甚至上弦杆采用单肢40mmA40的角钢一些结构屋架与屋架之间没有设置剪刀撑也没有水平联系杆单榀屋架极易遭到破坏一些擦条间距布置太大结构刚度小会造成结构的变形过大进而造成结构的连续倒塌。2.2.8缺少立柱一些大棚跨度20+30m立柱数量很少，个别大棚内竟不设立柱，在建设大棚厂房时考虑更多的往往是建筑的防风睬温性能对抗压性能考虑很少同时为方便工作人员操作大棚内通常不设立柱跨度越大则棚顶的坡度就越小越容易积雪棚顶承受的压力也越大而缺少立柱支撑是大棚破坏的主要原因。2.2.9基础薄弱抗水平剪切能力差顶棚可以承受较大的垂直压力但一些抗水平剪切能力差抗横向力能力低下很多都没有抗风柱某大棚顶棚的C7T条和桁架都比较密集连结螺栓一个都不缺少整个顶棚承受住了积雪压力这一部分的顶棚基本上没有弯折，然而大棚却倒塌。图三基础破坏2.2.10檩条承载力不足发生失稳灾害分析表明大量结构由于C7T条首先超载发生失稳扭转后严重下挠由此造成钢梁上翼缘失去支撑使钢梁失稳在大荷载情况和C7T条拉扯作用下钢梁同样发生扭转向下挠曲并对钢柱产生牵引使钢柱向内倾倒产生的拉拔力使锚栓破坏整个刚架连续倒塌部分柱间支撑设置较强时倒塌在柱间支撑处停止，因是缺少可靠的基础部分抗水平剪切能力差。2.2.11屋面板载力不足调查分析表明，大量大跨度轻钢结构破坏和倒塌是由于屋面板承载力不足引起的一些屋面坡度平屋板厚度很薄，局部破坏而造成结构的整体倒塌。首先是从厂房南坡屋面南侧或东南角的女儿墙搞低跨的积雪堆积处的屋面压型钢板开始。保温屋面底板压型钢板压屈或接缝处拉开受损较严重的是屋面压型钢板凹陷受损最严重的是大面积屋面压型钢板和檩条塌陷把刚架梁柱拉倒柱脚螺栓拔断整个厂房倒塌2.2.12节点构造不合理梁连接柱拼接点一般假定节点连接是刚性的而一些实际却不能完全满足刚性要求有些设计是在钢梁端部增加一截短钢柱底部与混凝土柱铰接这种变截面构件的设计不合理短柱底部会产生巨大的水平剪力在刚度突变处容易产生破坏。2.3施工原因2.3.1材料问题材料规格达不到要求不仅仅是材料的负公差的问题，也有施工单位的因素并且在制作方面也有许多问题；如先对钢板进行除锈加工完毕后直接涂，造成油漆不久就出现返锈剥落等等潜在的因素；会影响结构的承载能力。大跨度轻钢结构节点构件加工安装质量直接影响房屋的承载能力房屋的倒塌通常是由于个别支撑构件的失效导致钢架失稳安装准备工作不细致支座位置高程测量不准导致纵向边长支承点高程超过质检标准要求杆件或单元或整个网架拼装后有较大的偏差而不修正强行就位造成杆件弯曲或产生很大的次应力。2.3.2焊缝不合格焊缝一直是大跨度钢结构中易出现问题焊接工艺焊接顺序错误产生很大的焊接应力造成杆件或整个结构变形灾害分析表明大多数大跨度轻钢结构存在焊缝达不到设计要求。事故分析发现部分刚性系杆拼接处对接焊缝及刚架个别翼缘钢板拼接处对接焊缝未焊透现象。图四焊缝未焊透2.3.3螺栓垫片缺失螺栓牢固程度对杆件的连接及结构的整体性稳定性起到关键性作用，哪怕是一根螺栓未拧牢固都会产生意想不到的严重后果。也发现部分刚性系杆连接节点螺栓孔表面粗糙且孔大小不等螺栓孔豁开螺栓孔大螺栓小破坏时有的螺栓从螺栓孔中脱出正常的螺栓连接应有垫片但实际当中的部分螺栓连接处没有垫片有的上有一两个有的没有在雪灾调查中也发现一些螺栓缺失造成缀条破坏。2.3.4防锈问题锈蚀在很大程度上影响结构的承载能力安装时没有采取必要的措施雪灾事故中发现一些连接节点构件等不同程度锈蚀。2.4使用及维护方面2.4.1随意增加荷载使用过程中随意改变建筑物的使用性质如室内增加平台在C7T条或屋面梁上增加悬挂荷载；如吊顶轨道等增加连接跨等现象很常见。2.4.2日常管理维修不到位车间厂房屋面积雪日久不清，屋面厚度过大使该厂房屋盖系统实际承受的荷载远远超过其承载能力；雪灾造成了大型屋面板和钢屋架塌落。靠近天窗处最厚积灰状态是上面可用锹挖；下面的雪则需用镐方可刨动，说明积灰日久又经雨淋很密实。2.4.3未及时清雪此公司建大棚时曾告诉施工单位一定要建最坚固的大棚建起后与周围几家公司所用材料相比该公司的用材的确是最好的地基Cl壁也是最结实的当其他几家公司大棚垮塌后该公司认为大棚没问题因此没有