某门式刚架轻钢结构厂房施工阶段倒塌事故分析

张凯静 周建文

(1.中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071; 2.湖北省建筑科学研究设计院股份有限公司，湖北 武汉 430071)

1 概述

门式刚架轻型钢结构是单层工业厂房中一种常见的结构形式。这类结构形式的最大特点是：自重轻，抗震性能好，工业化程度高，施工周期短等。

本文针对一起门式刚架结构厂房施工阶段的倒塌事故[1-3]，根据现场的破坏情况，结合第三方取样检测、结构计算等对钢结构厂房倒塌原因进行深入分析，并提出施工建议。

2 工程事故概况

某大型钢结构厂房建筑面积约5 500 m2，主体结构为双坡门式刚架轻钢结构。钢结构厂房纵向长82.4 m(13跨)，横向长70.0 m(10跨)，最大柱距：7.0 m。屋脊梁顶结构高度：10.884 m，屋檐梁顶结构高度：8.0 m。基础采用柱下管桩基础，经计算一柱一桩，承台间设置基础梁。基础混凝土强度等级为C30，钢梁、钢柱、檩条钢材采用Q345，预埋锚栓、系杆支撑均采用Q235。屋面采用压型钢板作为围护结构，屋面梁采用H型变截面钢梁，屋面系统由C型钢檩条及十字交叉圆钢组成，柱截面采用H型实腹柱。2019年11月17日晚，该工程已安装部分整体倒塌。倒塌现场如图1～图4所示，刚架布置如图5～图7所示。

为分析刚架坍塌事故发生的原因，对现场进行了检测和技术鉴定。

表1 现场安装情况调查

从表1可以看出，结构抗风柱、隅撑未安装，水平支撑未安装完，柱脚处未进行二次浇筑。根据气象资料，事发当时，风速较大，极大风速达到13.3 m/s(6级风)。建筑倒塌方向为L轴向A轴方向(见图1)。倒塌现场，钢结构构件与基础短柱连接处混凝土多处开裂，部分混凝土破碎(见图2)、地脚螺栓拔出、弯曲变形、锚栓螺母脱落、部分锚栓断裂；刚架柱脚尚未进行混凝土二次浇灌(见图3)，柱脚与混凝土短柱间未见垫块；钢柱、钢梁等构件变形，屋面檩条大部分脱落、变形、破坏(见图4)。

3 事故原因分析

3.1 材料方面

钢结构的梁、柱及次构件等结构的尺寸进行现场抽检，所检梁、柱、系杆、檩条、地脚螺栓尺寸符合设计要求。该工程钢结构主构件钢板力学性能均符合国家相关规范规定。

对承台及混凝土短柱钻取芯样，检测混凝土抗压强度，检测结果表明所检构件混凝土抗压强度推定值达不到设计强度等级要求(见表2)。

表2 承台及混凝土短柱混凝土抗压强度检测结果

3.2 设计方面

1)主体及围护结构。

原设计采用中国建筑科学院PKPM2010等系列软件V4.1版本，现采用3d3s软件14.1.9版对原设计重新校核。根据验算结果，该工程主体及围护结构设计符合国家相关规范的规定(见图8)。

2)柱脚锚栓。

厂房原设计柱脚锚栓为4根M24，柱脚连接为铰接。根据现场勘测，基础顶面与柱脚底板之间的预留高度接近100 mm，施工人员对该厂房刚架安装完成后，未及时按照原设计要求采用C40微膨胀自流性细石混凝土填实。

根据现场锚栓的破坏形式，对坍塌前已安装刚架在自重和风荷载组合作用下的实际受力情况进行承载力验算。该地区气象局观测站提供的2019年11月17日18时至20时，最大风速为13.3 m/s，其风力为6级。计算出风荷载标准值为0.11 kN/m2，该值小于设计值的0.35 kN/m2。在自重及风荷载作用下对结构进行分析，梁、柱等主要受力构件应力比在0.20～0.40之间。从现场调查情况，梁柱连接处无明显破坏，梁、柱未见明显局部变形，可推断出：结构在自重及风荷载作用下，未产生明显的变形破坏，其变形主要是在坍塌的过程中产生。

结构倒塌是一个动态变化的过程，结构受力情况时刻发生变化。刚架未受外力作用下，其柱脚的位移均受约束，因此在风荷载作用的瞬间假定柱脚为刚接，柱底弯矩使柱脚锚栓一侧受拉，另一侧受压。

假定不考虑柱脚锚栓缺陷，当地脚螺栓正常工作时，取柱脚最不利一组内力N=50.334 kN，M=13.386 kN·m，V=1.350 kN，以一个柱脚四个锚栓计算，则单个锚栓的反力为：N=101.8 kN，V=0.34 kN。

强度验算：

稳定性验算：

由计算可知：在风荷载作用的瞬间，锚栓实际受力已超过其本身的承载能力。实际情况，柱脚与基础的连接近似铰接，加之基础顶面与钢柱底板之间的预留空间较大，使锚栓的刚度约束进一步削弱。因此，纵向风压作用时，锚栓不会立即发生破坏，但会表现为钢柱以柱脚为轴发生转动。假定考虑地脚螺栓倾斜θ=5°，风荷载和刚架在自重作用下，以一个柱脚四个锚栓计算，则单个锚栓的反力为：

M=Nx=101.8×0.05×tan5°=0.445 kN·m。

强度验算：

稳定性验算：

596.4 MPa≥205 MPa。

由验算可知，在考虑柱脚锚栓倾斜θ=5°的情况下，柱脚锚栓的受力情况更为不利。

4 结论

1)现场施工顺序错误。

依据GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[4]：刚架应先安装靠近山墙有柱间支撑的两榀刚架，在施工中应及时安装好其间的檩条、支撑、隅撑等，并检查其垂直度，必要时增设缆风绳充分固定。以这两榀刚架为起点，向房屋另一端顺序安装。根据现场调查结果，倒塌区内除抗风柱外，所有主刚架已经安装完成，但是仅安装两根水平支撑，且水平支撑的规格和安装方式均不符合设计要求。没有安装柱间支撑和隅撑，表明在尚未安装柱间支撑、水平支撑和隅撑就安装了檩条和系杆，使得已安装的刚架没有形成空间刚度单元。

2)现场基础施工质量差。

钢结构施工时，柱脚锚栓预留二次浇灌层高度大于设计高度，混凝土对柱底地脚锚栓握裹能力不足，其抗剪切能力也随之降低，致使连接节点刚度降低。未加楔形垫块，柱脚板上部仅有一个螺栓，基础顶部标高低于设计值，造成钢柱底部的抗剪键不能发挥作用，造成柱脚锚栓基本处于“悬臂”状态。所检承台及混凝土短柱混凝土强度推定值达不到设计强度等级。

5 结语

本案例是由于柱脚锚栓失稳造成的门式刚架轻钢结构厂房在施工过程中发生倒塌。建议：门式刚架轻钢结构厂房在施工过程中应严格遵守规范规定，按照设计要求进行施工安装，保证工程质量；柱脚在进行二次灌浆前，柱底板的4个角可设置柱底垫板，避免在施工阶段因风荷载等外力作用导致柱脚锚栓失效。