某料仓倒塌事故原因分析

程文超，吴兵，方少林，魏佳佳

（苏州华碧微科检测技术有限公司，江苏 苏州 215000）

近年来，建筑机械因设计强度或刚度不足、使用结构钢材不合格、安装施工不规范造成的事故时有发生。某建筑工地泥浆水浓缩用的料仓倒塌事故就是一例。本文通过载荷计算、有限元模拟仿真、支腿焊缝质量检验分析了料仓倒塌事故的可能原因。

1 料仓结构

某料仓结构上部为筒体结构，下部为锥体结构，支腿采用6 根螺旋焊管支撑在筒体与锥体过渡区。泥浆水注入机将泥浆水从料仓顶部注入料仓，经过絮凝和沉淀，锥体底部有卸料口将泥沙放出，沉淀后的水从料仓顶部水槽排出。

料仓总高度10m，筒体高度6m，锥体高度4m，筒体和锥体板材壁厚为8mm，料仓筒体和锥体的钢板采用焊接方式拼接。料仓支腿采用螺旋焊管，高度为4.25m，支腿直径为Φ273mm，壁厚为6.4mm，支腿底部端面与预埋钢板采用焊接方式连接，料仓结构示意图如图1 所示。

图1 料仓结构示意图

2 事故简介

该料仓于2019 年5 月左右完工并开始调试使用，当天天气情况没有出现大风和地震，调试使用过程中，筒体和锥体装满泥浆水，在进行絮凝沉淀过程中，料仓支腿发生弯折，引起料仓倒塌，筒体和锥体发生撕裂，见图2 所示。设计资料中料仓筒体、锥体板材材料为Q235，支腿金属材料及牌号未明确。

图2 倒塌后的料仓照片

3 倒塌分析

3.1 载荷分析

采用火花放电原子发射光谱法检测料仓支腿的主要化学元素C、Si、Mn、P、S 的成分，对支腿金属材料进行拉伸强度实验，并对照GB/T 700-2006《碳素结构钢》中Q235 的化学元素C、Si、Mn、P、S 的成分和抗拉强度进行分析，检测和分析结果见表1，检测样品中的化学元素和抗拉强度均符合Q235 的要求。

支腿螺旋焊管属大长细比受压杆件，主要核算稳定性，其最大承载能力的计算，根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》中实腹式轴心受压构件的稳定性计算公式建立载荷模型。

表1 检测和分析结果表

根据支腿直径（D）为273mm、壁厚（t）为6.4mm、长度（l）为4250mm，材料为Q235 等条件，按照GB 50017-2003《钢结构设计规范》长度因素μ 取1，α2取0.965，α3取0.3，fy取235MPa，f 取215MPa，进行计算，具体如下：

假设材料合格，所有焊接质量合格的理想状态，不考虑风载荷和地震载荷，单根支腿螺旋焊管最大能承受1012kN的载荷，6 根支腿螺旋焊管最大能承受6072kN 的载荷，根据料仓自重和泥浆水比重计算可知，料仓内总重量约为548t，未超过支腿的承重能力。

3.2 有限元分析

根据料仓结构图，采用有限元方法进行了分析计算，主要利用了三种单元，即杆单元、梁单元、壳单元，考虑了三种单元之间的耦合关系。以下仅对其中的壳单元见作一简单介绍，见图3 所示。壳单元采用六面体形状，八节点，每个节点有六个自由度，单元具有塑性、剪切变形、大变形及大应变特性。

本次利用ANASYS R15.0 进行模拟仿真，假设支腿螺旋焊管质量良好，设置模型边界条件和载荷施加，计算料仓应力，如图4 所示。模拟结果显示，最大应力分布在锥体底部，支腿与筒体连接处产生局部最大应力，容易引起开裂。

图3 单元模型

3.3 焊缝分析

图4 料仓应力分布图

对料仓锥体底部的钢板、支腿与筒体连接处的焊缝分别进行无损检测，发现料仓锥体底部的钢板焊缝对接处存在未熔合和密集气孔，如图5 所示，支腿与筒体连接处的焊缝存在未熔合现象，如图6 所示，焊缝评定等级为IV 级。

图5 密集气孔

图6 未熔合

4 结语

（1）料仓支腿在不考虑风载和地震载荷的理想状态时，强度可以满足料仓重量要求。

（2）通过计算机模拟仿真得出，料仓在使用过程中，应力集中分布在锥体底部和支腿与筒体连接处。

（3）对料仓锥体底部、无损检测发现，焊缝质量存在不同程度缺陷，会降低焊缝的焊接强度质量，料仓锥体底部钢板容易开裂、支腿容易发生弯曲，会引起料仓倒塌。