冰雪灾害下某排架结构钢屋面受损案例分析

倪 源

(常州市金坛区建设工程管理中心，江苏 常州 213200)

随着我国经济的迅猛发展，钢结构屋面由于具备适用范围广、综合经济效益好、施工周期短、抗震性能好、绿色节能环保等优越性而被广泛运用。但由于极端风雪天气发生的概率越来越大，对我国的钢结构造成了不同程度的破坏，导致经济受损甚至造成人员伤亡，无疑给中国钢结构的研究学者敲响了警钟[1]。为了加强轻钢结构在极端风雪天气下的承载能力，减少因为风雪天气造成的损失，2001年路军等人强调了堆雪效应对钢结构屋面女儿墙产生一系列的安全隐患，2005年费立连等人通过对一轻钢结构实例进行分析得出缺乏必要的屋面支撑将会影响钢结构的整体稳定性，2009年张天峰等人研究发现一系列的设计失误将导致钢结构房屋在雪荷载达到69%的作用下倒塌，2011年李文岭结合钢结构的破坏实例分别从设计、施工、使用方面分析了钢屋面破坏的机理。本文通过处理一起冰雪灾害下某排架结构钢屋面受损实例，避免其因设计和施工缺陷导致的质量问题，提出了相关的处理方案，通过优化方案提出了该质量问题出现后的一系列整改措施，切实提升钢结构屋面的抗冰雪能力[2]。

1 工程概况

钢排架结构由于施工方便、造价低、自重轻、用钢量少等优点，逐渐取代了其他结构形式的厂房。但该类结构体系厂房的钢结构屋面由于设计及施工较为简单，在设计、施工甚至监理过程中受到的重视程度不足，其由于自重较轻，成为雪灾中遭受破坏较为严重的主要钢结构形式。钢结构厂房内一般都会存在生产设备，生产线上有工人，若一旦存在质量问题，将会造成厂房内设备损坏甚至人员伤亡等重大损失。该典型案例为23 m跨排架结构厂房，纵跨尺寸为72 m，屋盖坡度为6%，两端及中间部位设置了柱间支撑和屋面横向水平支撑；屋面钢檩条采用冷弯薄壁型钢，材质为Q235-A，檩距为1.5 m；屋面拉条规格为φ14圆钢，屋面拉条跨中设置一道，屋面撑杆为φ12圆钢+φ32×2.0套管；斜拉条和压杆组成的桁架结构体系分别设在檐口和屋脊处；隅撑规格为L50×5角钢；屋面采用100 mm厚岩棉彩钢夹芯板。

2 现场查勘

经现场查勘，2018年1月4日该建筑屋面边跨发生了变形，檩条的翼缘及腹板发生弯扭屈曲破坏，进而导致檩条失稳破坏，局部屋面拉条存在脱落现象，局部固定在屋面檩条上的屋面隅撑出现掉落现象，如图1所示。

3 钢屋面受损原因分析

3.1 设计方面原因

檩条的作用为固定屋面板使其形成整体的蒙皮效应，以加强屋面的整体刚度，并承担屋面传来的荷载将其传递给钢梁。核对设计施工图纸，檩条表达方式存在问题，材料选用表中为Z型截面形式，但详图表达方式存在C型截面。屋面檩条的支撑方式主要为连续檩条和简支檩条，Z型截面一般为连续檩条，其在支座处做一定的搭接来保证弯矩、剪力的完全传递，来更好的充分利用材料强度[3]；根据规范要求，搭接长度构造要求不小于跨度的10%，若檩条荷载较大，搭接长度应根据计算结果加大。C型截面一般为简支檩条，简支檩条在支撑处不产生弯矩，最大弯矩值出现在跨中属静定结构，所以相邻檩条在支撑处不需要搭接[4]。

拉条详图中拉条的位置不满足要求。由于屋面板与檩条间存在一定的位移，屋面板对檩条的上翼缘无法约束，导致檩条发生局部屈曲破坏。GB 51022—2015门式刚架轻型房屋钢结构技术规范要求，拉条可设在距檩条1/3腹板高度范围内，张紧的拉条能够对檩条的上翼缘产生有效约束来避免发生屈曲破坏[5]，详见图2。

屋面边跨的檩条强度不满足要求。根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范[6]第7.2.2条第1条：屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用。该厂房为坡屋面，积雪分布不均匀，檩条设计应考虑积雪分布最不利情况，设计边跨的檩条应给予适当加强。按照原设计施工图纸复核，边跨的受弯强度与扰度计算不满足要求。

3.2 施工方面原因

由于施工图表达不严谨，没有明确说明檩条为连续檩条，仅仅在“隅撑连接详图”中有檩条套接，但支座处详图使用C型檩条。在工程开工前，设计单位未有针对性地实施设计交底，使得施工单位理解成简支檩条，现场按照简支檩条实施了施工。按实测截面复核计算，檩条的截面受弯强度与扰度计算不满足要求。

施工时夹芯板与檩条的构造不满足要求。现场发现檩托板存在漏设现象，无法保证檩条搁置在钢梁上的稳定性。根据《压型钢板、夹芯板屋面及墙体建筑构造》01J925-1中夹芯板的相关要求，调查发现在夹芯板与檩条连接处未设置自攻螺钉，降低了夹芯板与檩条紧固连接点的稳固性和刚度。

3.3 外部环境原因

由于该地区持续降雪，经统计该地区的降雪量、降雪的荷载超过了荷载规范雪荷载取值的2%，在较大的雪荷载作用下出现了屋面边跨变形现象。

4 整改方案

根据现场的查勘与原因分析，施工单位提出了三种整改方案，见表1。

表1 三种整改方案

为了确保钢结构屋面结构刚度和稳定性符合要求，同时考虑整改的经济性，建设单位邀请了有关建筑施工技术专家召开了整改方案会议，会议由建设单位负责主持召开，设计单位项目负责人、监理单位总监、钢结构施工单位项目经理、专家等相关人员到场，会议分为以下几步：

1)建设单位简单介绍了屋面变形的情况及现场查勘的结果。2)专家查阅了相关图纸及计算书，并从设计、施工、外部环境等分析了屋面变形的原因。3)施工单位介绍了三种整改方案。4)专家查阅了三种方案的计算书并分析了三种方案。

方案一采用镀锌方管替换后，镀锌方管的受力性能强于原檩条设计方案，但需替换所有屋面檩条，施工难度较高且改变原结构受力构件。方案二保持现有受力状态的条件下对屋面进行加固，施工难度一般且综合造价最优，但需全面核实屋面板与檩条连接处是否设置自攻螺钉，以保证檩条与屋面板的可靠连接，对于变形较大的檩条，因受力性能已损失应放弃。方案三是建立在檩条扭转变形可完全恢复其受力状态，对其受力性能损失进行加固；但檩条的应力损失无法用数值估量，且该方案仅对檩条支座处进行了加固，未考虑檩条中间处变形损失。综上所述，专家建议选择方案二，但整改细节仍需完善，需增加屋面板变形后的恢复处理及屋面板恢复后其接缝处的相关整改措施。

5 整改情况

按照专家意见，经综合考虑，建设单位选择了方案二，由原施工单位制定了《排架屋面整改专项施工方案》，该方案包含了工程概况、编制依据、施工计划、施工工艺技术、施工质量安全技术保障措施、施工管理及作业人员配备和分工、验收要求、应急处置措施、计算书及相关施工图纸等，并明确了以下几点：1)侧向变形和扭转超过规范值的檩条应予以更换，建设单位与施工单位共同排查并通过现场测量来确定需要更换的檩条。2)侧向变形和扭转未超过规范值的檩条，施工单位实施纠正至原状并按设计要求增加拉条数量。3)增加原规格檩条，并对檩条进场实施见证取样检测，进一步保证檩条的抗拉强度符合设计要求。4)檩条整改完成后，逐一核实屋面板与檩条连接处设置自攻螺钉情况，确保整体的刚度和稳定性。该方案经施工单位技术负责人审核签字、加盖单位公章，并由总监理工程师审查签字、加盖执业印章后方可实施。施工单位在约定的期限内进场整改，监理单位检查、记录整改过程，建设工程质量监督人员定期检查施工单位的整改进度。通过不断的跟踪落实，保证各责任单位履行整改职责。整改完毕后由建设单位组织责任主体共同检查验收，形成书面验收文件。

6 结语

本文通过对该工程事故的调查处理，钢结构屋面的设计应从构造措施、荷载取值等多方面综合考虑，提升荷载组合提高轻钢结构的安全储备，同时根据工程的实际情况合理选取结构体系，应避免设计图纸的失误，工程开工前做好设计交底工作。施工单位在施工过程中应按图施工，若发现存在设计问题应及时通过建设单位向设计单位反映，要求设计单位修改或优化图纸，以免造成更大的损失。