钢-混凝土组合屋盖坍塌事故调查与分析*

刘小燕，董三升，雷 拓

(1.陕西建工第八建设集团有限公司，陕西 西安 710068； 2.长安大学建筑工程学院，陕西 西安 710061)

0 引言

为满足建筑功能对于大空间的要求，下部采用钢筋混凝土结构而上部采用钢屋盖(架)的组合结构体系日益普遍。这种结构体系已被大量应用于体育馆、机场航站楼、高铁客运站、工业厂房及顶层需具有大空间的新建或改建建筑中[1-5]，但由于设计、施工等过程中存在某些问题，导致采用此类结构体系的工程安全事故偶有发生[6]。目前，对此类结构体系的计算分析方法主要包括整体建模分析和分离建模分析，对计算模型及构造措施的假设需与实际受力情况相符，这是保证此类结构安全的关键。本文结合某钢筋混凝土框架结构顶部宴会厅钢-混凝土组合屋盖坍塌情况，通过现场检测鉴定、理论计算，对坍塌原因进行分析，以期为该工程的后续加固和其他类似工程坍塌分析提供参考。

1 工程概况

某6层钢筋混凝土框架结构顶部宴会厅东西长42.0m，南北宽24.30m，建筑面积约1 020m2。采用钢-混凝土组合屋盖体系，南北向主钢梁为3段拼接式变截面实腹钢梁(共6榀)，主钢梁两端与混凝土框架柱采用滑动支座连接，东西向布置HN400×200×8×13次梁。框架柱及现浇屋盖板混凝土强度等级分别为C45和C30，主、次梁钢材等级均为Q355B。屋盖结构平面布置如图1所示。项目始建于2021年8月，于2021年12月竣工，即将交付使用时屋盖发生坍塌事故(见图2)，所幸无人员伤亡。

图1 屋盖结构平面布置

图2 屋盖坍塌情况

现场勘察初步判定本次坍塌事故是由主钢梁拼接节点破坏引起的(见图2c)。为避免可能造成的结构竖向连续坍塌，屋盖坍塌后及时搭设满堂脚手架进行临时支撑，并使用切割机对屋盖板进行拆除。另外，采用楔形焊接钢板临时补强变形较大的主钢梁拼接节点。

2 检测鉴定

2.1 材料强度检测

根据JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[7]有关要求，采用回弹法检测框架柱混凝土强度。结果表明，考虑龄期折减后，框架柱混凝土立方体抗压强度为59.8MPa。

根据GB/T 50344—2019《建筑结构检测技术标准》[8]有关要求，采用里氏硬度法对钢梁强度进行无损检测。结果表明，钢梁强度满足设计要求。

根据 GB/T 1231—2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》[9]有关要求，抽取8根高强度螺栓进行抗拉试验。结果表明，高强度螺栓抗拉强度满足设计要求。

由此可判定，此次坍塌事故与混凝土柱、钢梁及高强度螺栓材料强度无关。

2.2 钢梁变形检测

2.2.1主钢梁竖向挠度

原设计中，主钢梁底标高为33.600m，相对于楼面标高为7.800m。主钢梁立面布置及关键位置梁底相对标高如图3所示。由图3可知，主钢梁明显下挠，挠度较大处位于③～⑤轴主钢梁南侧(靠近轴)梁段拼接节点，其中下挠最大处位于⑤轴主钢梁，最大挠度达1.360m。结合现场勘察结果可知，主钢梁竖向挠度是由拼接节点下部螺栓拉断破坏后引起主钢梁刚体转动造成的。

图3 主钢梁立面布置及关键位置梁底相对标高

2.2.2主钢梁平面外挠度

实测①～⑥轴主钢梁跨中垂直度偏差分别为72，90，60，9，57，108mm，倾斜方向分别为东、东、东、西、西、西。可见，各榀主钢梁均发生不同程度的平面外倾斜，东、西侧主钢梁倾斜严重。④轴主钢梁平面外变形最小，这是因为④轴主钢梁变形后，由于次梁和屋盖板的拉结作用，使其他轴主钢梁向④轴发生平面外倾斜。

2.3 主钢梁拼接节点变形

检测发现，①，⑥轴主钢梁拼接节点处螺栓未发生松动现象，而②～⑤轴主钢梁南侧拼接节点均开裂(见图4)，节点下部水平脱开距离分别为420，430，500，480mm，上下错位最大距离为130mm，拼接节点开裂造成螺栓断裂、脱落。

图4 主钢梁拼接节点破坏情况

2.4 屋盖荷载

为便于分析事故原因，通过现场取样，对屋盖做法与荷载进行检测，结果如表1所示。现场屋盖做法(含现浇板)总厚度为227～248mm，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[10]规定的荷载取值，计算得到6个测点荷载平均值为3.80kN/m2，较设计屋盖做法荷载平均值增加14.5%。

表1 屋盖做法与荷载

2.5 牛腿、滑动支座变形

本工程①～④轴主钢梁端部设计为钢牛腿，⑤，⑥轴屋盖端部设计为柱顶预埋板。钢牛腿、柱顶预埋板顶面与滑动支座底板焊接连接，主钢梁底面与滑动支座盖板焊接连接。现场勘察发现，钢牛腿、柱顶预埋板未发生明显损伤，可排除牛腿引起坍塌事故的可能。②～⑤轴滑动支座可见明显倾斜，且倾斜方向基本为主钢梁跨外方向，其中⑤轴支座破坏损伤最严重，这是由于支座盖板连同主钢梁发生较大的刚体转动，盖板外侧与支座分离，产生较大的水平推力。①，⑥轴滑动支座未见明显倾斜，但支座四角立杆均发生明显变形。主钢梁滑动支座破坏情况如图5所示。

图5 主钢梁滑动支座破坏情况

3 结构验算

3.1 计算模型校核

本工程采用混凝土柱-实腹钢梁结构体系[11-12]，此类结构体系柱脚一般按刚性连接处理，本文对钢梁与框架柱连接方式与受力特点进行计算分析。

对于混凝土柱-实腹钢梁结构体系，特别是先施工混凝土柱再施工钢梁时，混凝土柱与钢梁刚性连接做法难以实现。原设计将结构计算模型取为门式刚架(见图6a)，显然有失偏颇，因仅考虑到排水要求，将钢梁依据排水坡度做成变截面简支梁，在竖向荷载作用下混凝土柱顶不存在水平推力，也就不存在“拱效应”。按照本工程屋盖钢梁结构布置和支座节点设计做法，结构计算模型应取为排架+滑动支座，如图6b所示。

图6 混凝土柱-实腹钢梁结构体系计算模型

3.2 验算结果

采用PKPM-V5.1版软件建立1榀屋盖计算模型进行分析，原钢筋混凝土柱截面尺寸为800mm×700mm(长×宽)，柱高7.8m，与原6层框架结构刚接，标高25.800m。主钢梁按图3所示尺寸建模，跨度24.8m。依据原设计图纸及荷载检测结果，设计屋盖做法和现场屋盖做法对应的屋盖恒荷载分别取为3.32，3.80kN/m2。

鉴于本工程是在屋盖结构完工后发生的自然坍塌，未涉及地震、大风和其他人为因素，为明确事故原因，计算分析时仅考虑设计屋盖恒荷载工况和现场屋盖恒荷载工况，不考虑恒荷载分项系数的影响，主要验算结果对比如表2所示。由表2可知，现场屋盖恒荷载工况下，排架+滑动支座、门式刚架计算模型得到的主钢梁最大应力比分别为0.48，0.28，跨中挠度分别为梁计算长度的1/391，1/800，以门式刚架为模型计算得到的主钢梁拼接节点弯矩与以排架+滑动支座为模型计算得到的结果偏差较大。综上所述，可基本排除主钢梁截面尺寸对坍塌事故的影响。

表2 验算结果

4 坍塌原因分析

4.1 节点破坏

首先对主钢梁拼接节点设计情况进行分析，本工程主钢梁拼接节点采用轻型门式刚架结构中刚架梁常用的高强度螺栓端板连接节点，如图7所示。其中端板厚度为35mm，加劲肋厚度为16mm，加劲肋外伸宽度为150mm。由验算结果可知，按门式刚架模型进行主钢梁拼接节点设计存在较大安全隐患。

图7 原主钢梁拼接节点

端板连接方式之所以在门式刚架结构中得到广泛采用，是由于门式刚架具有梁柱刚性连接的特点，拼接节点内力较小的缘故。本工程主钢梁实质上属于简支的变截面梁，显然不属于门式刚架。从理论上讲，混凝土柱-实腹钢梁结构体系中梁-梁拼接也可采用端板连接方式，但由于按排架+滑动支座模型计算得到的主钢梁拼接节点内力较大，未能完成端板连接节点设计。可见，原设计端板连接节点承载力明显不足。另外，对于非门式刚架结构，端板连接节点一旦发生破坏，会像本工程拼接节点呈自下而上“解扣子”的破坏现象。因此，可认为主钢梁采用端板连接方式并不合适，而应采用普通钢结构中梁-梁刚性连接的拼接节点形式，并按等强度条件进行设计[13]。原主钢梁拼接节点设计形式与节点计算均存在严重问题，这是导致本次事故的直接原因。

4.2 主钢梁布置与分段问题

本工程主钢梁采用3段拼接式变截面，梁底相对于楼面标高为7.800m，这种布置与分段方式存在以下问题。

1)找坡困难

本工程变截面主钢梁高度为1 000～1 400mm，梁顶坡度约为3.2%，由于结构找坡坡度较小(坡度一般取1/20～1/8)，后期屋盖施工时，再次进行了找坡，这也是造成屋盖板过厚及超载的主要原因。可采用两铰折线拱进行主钢梁布置，以满足施工和经济性要求。

2)主钢梁起拱困难

GB 50017—2017《钢结构设计标准》[14]第3.4.3条及条文说明中对横向受力构件起拱给出了指导原则和起拱量计算方法。实际工程中，通常要求对于跨度>9m的钢梁进行起拱[15]。本工程主钢梁跨度达24.8m，应考虑钢梁起拱，但施工说明中未提及。按照本工程主钢梁布置与分段方式，起拱量较大，且起拱难度大。

3)主钢梁挠度不易控制

本工程采用的梁端滑动支座形式对钢梁的挠度较敏感，应严格控制钢梁挠度。钢梁挠度过大，易造成梁两端发生过大转角位移，从而引起支座倾斜。

4.3 滑动支座破坏

从现场滑动支座破坏情况看，主要存在以下问题：①原设计采用了两端滑动支座，这种支座布置方式不合理，应采用一端固定、一端滑动支座；②现场支座形式及原设计图纸中的支座形式均存在一定问题。因支座设计及施工不合格，主钢梁下挠后，主钢梁两端的转动引起支座倾斜破坏。对于本工程梁端支座，一端应选用固定球型成品支座，另一端应选用滑动球型成品支座，并根据整体计算结果，按照GB/T 32836—2016《建筑钢结构球型支座》[16]规定的参数进行选用。

5 结语

1)荷载方面，现场屋盖做法平均荷载较设计屋盖做法平均荷载增加约14.5%，可知未严格按图施工造成的超载是坍塌事故的诱因。对于此类跨度较大的屋盖结构，建议采用压型彩钢板等轻质材料。

2)计算模型方面，本工程屋盖结构采用混凝土柱-实腹钢梁结构体系。原设计将此类体系按门式刚架进行设计，这是不合适的。在混凝土柱-实腹钢梁结构体系中，混凝土柱与钢梁的刚性连接难以实现，故一般按铰接处理。该问题应在类似新建和改建工程中得到足够重视。

3)钢梁拼接节点设计方面，本工程原设计中按门式刚架中梁-梁端板连接方式设计主钢梁拼接节点存在严重缺陷。基于本文计算分析结果，原主钢梁拼接节点承载力严重不足，这也是导致本次坍塌事故的直接原因。鉴于本工程屋盖主钢梁与混凝土柱连接达不到刚接要求，加之端部滑动支座的引入，主钢梁只能按简支梁考虑。因此，主钢梁拼接节点应采用刚性连接形式，并按等强度条件进行设计。

4)钢梁布置与分段方面，本工程主钢梁由3段变截面梁按统一梁底标高拼接而成，这种布置方式导致结构找坡不足，也造成了材料浪费，且主钢梁起拱难度较大。因此建议主钢梁按两铰折线拱方式布置，考虑到主钢梁施工下料长度的限制，可将主钢梁分成偶数段，以方便下料和起拱。

5)滑动支座方面，本工程滑动支座布置方式有误，应采用一端固定、一端滑动的方式。另外，支座设计和施工存在问题，造成了主钢梁梁端支座倾斜破坏。对于本工程主钢梁梁端支座，一端应选用固定球型成品支座，另一端应选用滑动球型成品支座。