某门式刚架柱脚强迫移位事故的鉴定与处理

2022-12-06刘明宝

工程质量 2022年11期

关键词：刚架架结构柱脚

刘明宝，马萍，张鹏

（1.山东建筑大学，山东济南 250101；2.山东建固特种专业工程有限公司，山东济南 250000；3.山东建筑大学鉴定检测中心有限公司，山东济南 250000）

0 引言

某厂房门式刚架刚接柱脚在爆炸力作用下发生了强迫移位，论文介绍了事故检测鉴定情况，分析事故对结构的影响，并根据刚架受力特点提出了事故处理方案，柱脚移位处理后按实测数据进行验证分析，该处理方案取得了较好的效果。

1 工程概况及事故基本情况

某厂房采用门式刚架结构，建筑东西长 145.28 m，南北宽 121.08 m，建筑总高度 12.6 m。该建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为 7 度（0.10g），设计地震分组为第二组，建筑场地类别为 II 类，结构设计使用年限为 50 年。

该工程采用独立基础，基础沿纵向设置地基梁，混凝土设计强度等级为 C30，地基基础设计等级为丙级，地基处理采用强夯法，局部中风化岩区域爆破至基坑下 20 cm，采用级配砂石回填。该车间门式刚架为五连跨，每跨均为 24 m，柱脚刚接，刚架梁、柱均采用焊接 H 型钢，车间内每跨均设两台 10 t 电动单梁吊车，工作制级别为 A3，吊车梁采用焊接 H 型钢。主钢构材质为 Q345B，支撑及屋面檩条等次结构为 Q235B，主结构连接螺栓采用 10.9 级摩擦型连接高强度螺栓。

该厂房主体结构完工后，对厂区内高出设计标高的岩石进行爆破，爆破产生的爆炸地震及碎石对厂房局部主体造成了损坏，爆炸力造成基础移位，部分构件及连接节点损伤。

2 调查与检测鉴定

2.1 破坏情况调查

经现场调查，该厂房于 2019 年 3 月完成钢结构施工，2019 年 4 月初，该建筑物南侧（19～20 轴间）附近进行道路爆破施工，爆破点距建筑物约 20 m，爆破位置如图 1 所示，结构内景如图 2 所示。经现场查勘确定，爆炸力影响范围为 18～19 轴交 A～D 轴区域，爆炸力造成的现场破坏情况如表 1 及图 3～图 8所示。

表1 现场破坏情况汇总

图1 爆炸位置示意图

图2 结构内景

图3 地基梁开裂破坏、钢筋屈服

图4 地基梁开裂破坏

图5 混凝土柱头开裂破坏

图6 焊缝开裂

图7 支撑屈服

图8 檩条扭曲变形

2.2 变形检测

现场采用全站仪对 A 轴交 18～20 轴钢柱和 20 轴交 B～D 轴钢柱进行变形测量，测得 A 轴交 19 轴柱脚及基础向北侧移位 16 cm，钢柱垂直度为 1/66；A 轴交 20 轴柱脚及基础向北侧移位 9 cm，钢柱垂直度为 1/102。GB 50205－2001《钢结构工程施工质量验收规范》附录 E 规定，单层钢柱柱脚中心线偏移允许偏差 5 mm，钢柱垂直度允许偏差 1/1 000，以上数值均远超过规范限值。测得 20 轴交 B 轴钢柱柱脚向北移位 3 cm，钢柱最大侧向弯曲 7 cm，发生在 2.8 m 标高局部夹层处。

2.3 构件截面检测

本工程门式刚架结构均采用焊接 H 型钢制作，钢柱为等截面，钢梁采用变截面；基础采用钢筋混凝土独立基础。现场采用游标卡尺、测厚仪及钢尺对刚架截面尺寸及基础尺寸进行检测，所检构件截面尺寸能够满足设计文件要求。

2.4 节点构造检查

经核对，刚架梁柱节点、柱脚节点做法与设计相符，门式刚架梁柱连接节点构造无异常，未见明显变形、开裂等现象。

2.5 吊车梁系统检查

对吊车梁与钢柱连接节点、吊车梁间的连接节点进行检查，未见开裂变形现象。对吊车梁外观进行检查，未发现扭曲变形等异常现象。

2.6 结构计算分析

爆炸时能量释放的时间很短，判断爆炸力引起的钢柱移位属于弹性变形还是塑性变形是困难的，为确保安全，假设基础移位使钢柱发生的变形包含塑性变形和弹性变形两部分，为了给后续处理提供依据，对门式钢架结构进行缺陷状态下的承载力分析十分必要。基础移位后，刚架柱产生的强迫内力，钢柱弯曲引起的钢柱受压偏心，均对刚架承载力有不利影响，针对不同处理方式设置了两种受力工况对刚架结构进行包络分析：第一种产生基础移位处钢柱不采取措施，按现状对刚架结构进行计算分析，此时假设所有柱脚移位均为弹性变形；第二种产生基础移位处钢柱采取措施释放强迫内力，对刚架结构进行基于弯曲缺陷条件下的计算分析，此时假设柱脚移位均为塑性变形。

1）产生基础移位处钢柱不采取措施，按现状对刚架结构进行计算分析。现场检查未发现 19/（A～B）轴地梁发生破坏现象，考虑混凝土地梁的刚度较大，认为 19/A、19/B 柱基础偏移量相等，均取 19/A 轴柱基础偏移量实际检测值 16 cm。

现场检查发现 20/（A～B）轴地梁在 B 轴端发生破坏现象，结合现场，20/A 轴柱钢柱偏移量取实际检测值 9 cm，20/B 轴钢柱位移量取实际检测值 3 cm。

根据现场检测数据，对结构进行建模计算，计算过程中对钢柱柱脚按假定条件进行强迫位移，计算结果显示钢柱内强迫内力较大，钢柱应力比最大值＞3.0，强迫应力将导致 19/A、19/B、20/A、20/B 轴钢柱及钢柱基础承载力不足，门式刚架结构属于高承载力低延性结构，对额外增加的强迫内力很敏感，故应采取措施释放钢柱内强迫应力。

2）产生基础移位处钢柱采取措施释放强迫内力，对刚架结构进行基于弯曲缺陷条件下的计算分析。考虑钢柱已产生塑性变形，强迫内力释放后钢柱无法恢复原状，钢柱偏心对结构承载力会造成一定影响，故按现状偏心缺陷情况进行建模计算，偏心数值偏安全的取柱脚实际移位检测值。

①荷载条件：抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为标准设防类，钢架抗震等级为四级。

基本风压 0.45 kN/m2，地面粗糙程度类别：B 类。

基本雪压 0.35 kN/m2。

设计采用的均布活荷载标准值按原设计：活荷载标准值不上人屋面 0.3 kN/m2，檩条 0.5 kN/m2。

设计采用的吊车荷载：A 3 级电动单梁吊车，Sn=22.5 m，Gn=10 T，最大宽度：3 500 mm，大车轮距 3 000 mm，最大轮压 82 kN，最小轮压 7 kN。

②材料：刚架 Q345B；混凝土 C30。

③计算程序：中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所研发的 PKPM 结构设计软件（2010 版 V4.2）。

④计算结果：经复核，产生基础移位处钢柱采取措施释放强迫内力后，考虑钢柱偏心缺陷情况下 19/A、19/B、20/A 轴钢柱应力比最大值为 0.93＜1.0，满足规范安全性要求。

3）综合以上两种工况计算可知，保持现状时，刚架结构不能确定保证正常使用期间的安全性；无强迫内力情况下，钢柱对柱中心线的偏心按 16 cm 进行验算，刚架承载力满足规范要求，也就是说释放柱脚约束后，即使柱脚完全没有回弹，刚架结构也能满足规范安全性要求［1-3］。

2.7 鉴定结果

1）经调查及检测鉴定，爆破对建筑物的影响范围为 18～19 轴交 A～D 区域，为局部破坏。

2）爆炸力造成部分基础和柱脚移位远超规范限值，经计算分析，影响结构承载力，应采取处理措施；爆炸力造成的地基梁开裂、基础短柱柱头破坏、框架梁柱连接焊缝开裂等均对结构安全有不利影响，为消除安全隐患，应该采取整改或加固措施。

3）构件截面尺寸符合设计；刚架连接节点构造符合设计要求，刚架连接节点构造无异常，未见明显变形、开裂等现象；吊车梁构件及连接未见开裂变形等异常现象。

3 事故处理

3.1 一般性问题处理

根据现场实际情况，在保证安全的前提下，选择易于实施的措施，对一般性问题处理如下。①开裂的地基梁：破碎地基梁混凝土，重新浇筑，混凝土强度等级应提高一个标号；②柱间支撑弯曲：进行更换；③焊缝开裂：按照钢 GB 50661－2011《结构焊接规范》的要求进行返修焊接；④抗风柱弯曲：考虑更换抗风柱需拆除整个墙面系统，工作难度大，采取增加支撑的方式进行加固，提高抗风柱的整体稳定性。

3.2 钢柱、基础移位的处理

爆炸造成的破坏中，钢柱、基础移位的处理是关键问题。本工程基础未遭受破坏，应尽可能予以保留。根据初步分析，对基础、钢柱移位提出了三种处理方案：采用基础顶推平移的方法平移复位；维持现状；释放柱脚约束，重新固定。三种方案实施的前提都必须保证结构安全性。

当采用顶推平移法时，需要制作反力装置，现场室内一侧是回填土，土质松软，实施存在困难。其次平移复位至原位置时，对钢柱而言存在复位过度的问题，钢柱内会产生反向强迫内力。综合分析后，排除此处理方法。

根据计算分析，保持现状时，刚架结构不能确定保证正常使用期间的安全性；无强迫内力情况下，钢柱对柱中心线的偏心按 16 cm 进行验算，刚架承载力满足规范要求。综合分析后，决定对基础、柱脚移位采取释放柱脚约束，重新固定的处理措施。

3.2 柱脚移位处理施工工艺

根据计算假定，柱脚内存在强迫内力，释放柱脚约束后，钢柱存在回弹的可能，因此保证柱脚安全的回弹是处理的关键。根据工程现场条件，确定如下处理流程：首先柱脚设置钢牛腿支撑，牛腿支撑与基础虚接，保证刚架结构在基础短柱处理期间的竖向承载能力，同时不影响钢柱的自由回弹；然后破除短柱混凝土，切掉原有地脚锚栓在柱底板以上的部分，切除作业应逐个进行，使钢柱回弹分步完成；重新制作地脚锚栓，改为锚板式；增大截面法加固混凝土短柱，最后浇筑短柱混凝土。