门式刚架钢结构厂房施工过程倒塌分析

2010-06-13崔淑梅赵志新

山西建筑 2010年13期

崔淑梅赵志新

1 工程概况

某公司厂房为一两跨门式刚架的钢结构厂房,共19榀刚架,建筑面积10260m2,建筑总长171m,宽60m,柱距长边方向9m,短边方向6m,檐口高度为6m。建筑分类和耐火极限丙类二级,建筑抗震设防烈度为7度,抗震设防类别为丙类,安全等级为二级,设计基准期为50年。梁柱所用的钢材345B,梁及边柱均采用变截面H型钢,梁分为三段。檩条和墙梁采用Q235薄壁型钢,屋面为压型彩钢板。2009年10月23日,该厂房在施工过程中突然倒塌。当时已经安装的18榀刚架全部倒塌,天气情况为:小雨,西北风5级～6级,阵风8级,温度9℃～17℃。厂房倒塌前,已经安装了18榀刚架,①轴～④轴间的屋面檩条全部安装完毕,其余各跨只安装了6条檩条,墙面檩条没有安装。

2 事故原因分析

2.1 事故概况

通过对该厂房的现场调查和检测发现,倒塌前在已安装完毕的18榀刚架之间都设有系杆,但整个厂房纵向上没有设置任何柱间支撑;按照施工图要求设置横向水平支撑的两榀刚架只在横梁两端及屋脊处设置系杆,而刚架倒塌前横向水平支撑并没有安装;柱脚底板与基础连接原设计为Q235钢M 24螺栓,设计变更为Q235钢M30螺栓,现场检测为M27螺栓连接;地脚二次混凝土浇灌没有施工,地脚板螺栓大部分采用双螺母,螺栓与基础的连接见图1。从厂房的现场破坏情况来看,刚架倒塌后,地脚螺栓或者发生很大的拉伸变形,或者直接被拉断。

2.2 原因分析

为全面系统分析结构倒塌原因,首先对门式刚架的设计图纸进行了全面地图纸审查,结果均满足规范要求。调查检测中,也对地脚螺栓的强度进行了抽检,得出的结论是钢材力学性能满足设计要求。按照设计要求,地脚螺栓应采用Q235钢制作的M30普通螺栓。施工中采用了Q390钢制作的直径为27 mm的地脚螺栓,螺栓材料屈服强度大约为400MPa。

从以上分析可以看出,施工过程中主要存在以下几个方面的问题:

1)由于柱脚与基础连接近似于铰接方式,柱子在侧向风压作用下容易与基础发生转动,这样刚架在纵向的刚度很大程度上依赖于纵向的柱间支撑、横向水平支撑以及系杆作用来保证。

2)整个厂房沿着纵向没有设置任何柱间支撑,只是在相邻的两榀刚架之间用系杆相连。在柱脚与基础不能刚性连接的情况下,而系杆与横梁之间的连接又是铰接,所以当柱与基础连接近似铰接时,整个刚架结构沿着纵向是一个不稳定体系(见图2中的简化模型),很容易发生倒塌。而刚架结构在横向未发生倒塌的原因是钢柱与横梁之间是刚性连接,这样即使柱与基础之间是铰接,钢框架在横向仍然是一个稳定体系(见图3中的简化模型),所以施工过程中横向不会发生倒塌。

3)虽然钢柱与基础的连接仍能提供一定的刚度约束(施工中采用了四个地脚螺栓),但是由于纵向上任何一榀刚架与其他刚架之间不能形成一个统一整体来提供纵向刚度,所以对于纵向的风压,相当于每一榀刚架都独立承受该方向的风荷载。除此之外,由于在纵向风压作用下钢柱要发生弯曲,而柱与基础之间不是刚性连接,所以柱脚和基础之间发生较大的转动,该转动会导致两个后果:a.由于转动造成柱在纵向的弯曲挠度比较大,这样会由于自重作用而产生不能忽略的附加弯矩(即二阶效应),使得地脚螺栓承受的拉力增大;b.在风载往复作用下,柱脚与基础之间的转动会导致螺栓反复承受冲击拉力,而冲击作用更容易使得螺栓发生断裂破坏,而且螺栓在反复冲击力作用下会进一步恶化柱与基础连接的刚度,因为:在冲击力作用下螺栓很容易发生应力松弛;由于螺栓所受到的冲击力会传递到与之相连的底板螺栓孔附近位置,容易导致柱脚底板发生翘曲变形(见图4),增大柱与基础之间的转角。

为了进一步验证以上的分析,取出其中一榀刚架进行分析。由于沿着纵向任何两榀刚架之间均没有设置柱间支撑,而在无柱间支撑的情况下,系杆并不能对横梁提供侧向约束,所以只需要分析每榀刚架结构在单独承受风荷载情况下的安全性。

当柱与基础之间不是刚性连接时,柱在纵向风压作用下的变形比较大,要精确分析地脚螺栓的受力还需要考虑柱在纵向挠度作用下由于自重而产生的附加弯矩,即二阶效应。在不考虑二阶效应的情况下,仅仅考虑风荷载作用,假定柱与基础连接处的弯矩按照刚接计算(该假设是偏于保守的),则柱与基础连接处需要承受的弯矩大小可由风压以及柱和梁的截面尺寸计算得到,该弯矩由螺栓完全承担,可以计算出每个螺栓所承受的拉力 F=190kN。而采用Q390钢制作的M27螺栓在达到屈服时所能承受的最大拉力为154 kN,到拉断时所能承受的最大拉力为211 kN。

3 门架安装施工事故预防措施

1)门式刚架结构在施工过程中,要保证结构的纵向刚度,首先应该从具有柱间支撑的两个刚架开始安装,柱间支撑与所连接的钢柱形成一个几何不变体系,从而提供厂房纵向方向的刚度;与柱间支撑在同一个区间的横梁之间则应同时安装横向水平支撑,以保证横梁的纵向刚度。柱间支撑和横向水平支撑与相连接的钢柱和钢梁一起组成一个纵向刚度很大的体系,以保证结构的纵向刚度和整体稳定性。

2)柱脚螺栓在使用阶段应为受拉,但在安装阶段未完成二次浇筑层时则为受压。由于施工工程中缆风绳仅对刚架平面外稳定起支撑作用,在二次浇筑层强度达到设计要求前应对可调柱脚螺栓采取必要的保护措施,如放置稳定可靠的钢楔(见图5),以防止因螺栓失稳或强度破坏而导致刚架平面内侧倾。楔形垫块拆除后再用灌浆料填补缺口。