某厂房钢结构屋盖坍塌事故分析与处理

2023-12-04刘明宝李咀安

工程质量 2023年10期

刘明宝，马萍，李咀安

（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

与传统钢筋混凝土结构相比，钢结构具有强度高、重量轻、施工周期短、可装拆等优点，近年来大量应用于高层建筑、大跨度公共建筑、工业厂房（包括轻型钢屋盖）［1］。对于高层建筑或大跨度公共建筑，建设人员普遍比较重视，严格控制质量，具有较高的安全度，一些中小型工业厂房因为过度追求低成本，往往千方百计地降低用钢量，加之施工队伍水平良莠不齐，构件加工及安装过程中造成大量质量缺陷，由此造成的事故屡见不鲜。统计分析表明，在钢结构事故中，工业厂房及普通轻型钢屋盖所占比例最高，达 53.2 %［2］，这是因为钢结构在工业厂房和普通轻型钢屋盖方面应用最多，因此有必要对此类结构进行深入的分析研究。本文介绍一个典型的厂房钢结构屋盖坍塌事故的检测鉴定、分析及处理实例，通过现场、实验室检测和结构验算，分析事故发生的原因，并从设计、施工、使用等方面提出了避免事故发生的建议。重新设计钢屋盖，选择岩棉夹芯彩钢板作为屋面板，按照钢结构设计规范进行指标控制，保证结构安全度。

1 工程概况

山东省某公司车间采用混凝土框排架结构，总建筑面积为 1 330 m2，共两层，首层采用混凝土框架结构，层高 5.8 m；二层为大空间，轴线尺寸 26 m×24 m，采用钢结构屋盖，混凝土柱支承，主梁采用实腹式 H 型钢制作，跨度 24 m，对称双坡，坡度 5 %，柱顶标高 16.30，柱距分别为 5.25 m×2+4.75 m×2+6 m。H 型钢梁截面尺寸700×300×10×12，采用 Q345 钢，屋脊处设拼接节点，全螺栓连接，M 20 高强螺栓性能等级 10.9 级；支座节点设置 2M24 地脚锚栓，但未进行明确的构造设计。沿屋脊处设置一道通长系杆，采用φ89×3.5 圆管，系杆与两侧女儿墙墙体相连；2～3 轴间设置水平交叉支撑，采用φ20 圆钢制作，支撑结构材质均为 Q235 钢。屋面板选用钢骨架轻型板，设计屋面做法选用建筑图集。屋盖结构平面布置如图1 所示。

图1 屋盖结构平面布置（单位：mm）

该工程建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为 7 度（0.10g），设计地震分组为第三组，建筑场地类别为 II 类，结构抗震设防类别为标准设防类，框架抗震等级为三级，地基基础设计等级为丙级，结构设计使用年限为 50 年。设计采用基本风压为 0.45 kN/m2，地面粗糙度 B 类，基本雪压为 0.35 kN/m2，非上人屋面活荷载0.3 kN/m2（荷载范围＞60 m2时）。

该车间于 2013 年 3 月完成主体结构的施工，已投入使用多年，2019 年 4 月 3 日晚 8 时许，该建筑物二层钢结构屋盖发生整体坍塌，事发时天气多云、微风，无极端天气状况。

2 现场破坏形态

现场勘察发现，所有钢梁均从柱顶混凝土牛腿支座处脱离坠落，所有钢梁支座处地脚锚栓均被剪断（见图2）；柱头混凝土保护层不同程度损坏（见图3），混凝土柱身未见明显异常；钢梁坠落后，除东侧 1 榀钢梁（5 轴）外，其余 3 榀钢梁的屋脊拼接节点均已完全脱开，高强螺栓多数已缺失，端板外伸部分弯折变形（见图4）；现场所有钢梁基本保持平直状态，未发现钢梁出现侧弯、扭曲、翘曲等现象，如图5 所示。

图2 支座处地脚锚栓剪断

图3 柱头混凝土保护层损坏

图5 钢梁外观

3 现场检测

3.1 结构布置

屋面钢梁布置及水平支撑设置与设计相符，该水平支撑结构布置不完整，交叉支撑与钢梁交接处缺少刚性系杆，圆钢交叉支撑张紧时，没有受压系杆承担交叉支撑的水平分力，支撑系统不但不能为钢梁提供有效的侧向约束，还将造成钢梁平面外受拉，降低钢梁的整体稳定承载。采用激光测距仪及钢卷尺对钢结构布置进行测量，钢梁跨度、柱距等与设计相符。

3.2 构件截面尺寸

采用钢尺、游标卡尺及金属测厚仪对屋面钢梁、刚性系杆、水平支撑的截面尺寸进行检测，结果表明构件截面尺寸偏差能够满足 GB 50205－2001《钢结构工程施工质量验收规范》［3］及相关材料标准的要求，符合设计要求。

3.3 连接构造

检查钢梁屋脊的节点构造，5 轴钢梁下翼缘连接端板处发生端板撕裂破坏，上翼缘节点处尚有1个高强螺栓相连，其余钢梁屋脊节点均已分离，大多数节点处高强螺栓已破坏脱落（见图6），节点连接用高强螺栓性能等级为 8.8 级，与设计图纸中 10.9 级不符，部分螺栓垫片设置不符合 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》的规定，个别螺栓单侧垫圈数目多达 5 个。其余构造如螺栓布置、螺栓数目、节点板尺寸等与设计相符。

图6 破坏的高强螺栓

支座处预埋钢板未设置锚筋与设计图纸不符。根据现场调查复原支座构造如图7 所示，钢梁支座底板与柱头间悬空，钢梁与垫板间、垫板与预埋钢板间均未可靠连接，钢梁支座与混凝土柱不能紧密接触，支座构造不能保证钢梁与混凝土柱可靠连接。

图7 支座构造复原

3.4 焊缝质量

对钢梁焊缝进行检查，未发现焊缝表面有明显气孔、夹渣等外观质量缺陷。采用超声波探伤仪对钢梁与端板连接焊缝进行无损检测，未发现焊缝内部存在未焊透、未熔合等缺陷，焊缝质量满足 GB 50205－2001《钢结构工程施工质量验收规范》的要求。

3.5 屋面建筑做法

按照建筑专业图纸，屋面建筑做法由内到外依次为①钢骨架轻型板；②20 mm 厚 1∶3 水泥砂浆找平层；③1.2mm 厚聚氨酯防水涂料隔汽层；④最薄 30 mm 厚 LC5.0 轻集料混凝土 2 % 找坡层；⑤60 mm 厚硬质聚氨酯泡沫塑料；⑥20 mm 厚 1∶3 水泥砂浆找平层；⑦聚氯乙烯防水卷材；⑧10 mm 厚低标号砂浆隔离层；⑨20 mm 厚 1∶3 水泥砂浆面层。

根据现场调查，屋面实际建筑做法与图纸不符，由内到外依次为：①钢骨架轻型板；②30 mm 厚水泥砂浆找平层；③单层防水薄膜；④5 mm 厚水泥砂浆保护层。现场提取一块较完整的钢骨架轻型板屋面后，对钢骨架轻型板及建筑面层分别称重并除以板的面积，得到板的恒荷载代表值，称重结果明细如表1 所示。

表1 称重结果明细

4 钢材材性试验

分别在坍塌屋盖钢梁的翼板、腹板上现场取样，加工成标准试样后，在万能试验机上进行钢材力学性能试验；采用直读光谱仪对钢板进行材质化学分析。试验结果表明：①钢材屈服强度、抗拉强度均不满足 Q345 钢的要求，但能满足 Q235 钢的要求；②钢材化学元素含量结果符合 Q235 钢的要求。

5 结构验算分析

因结构设计说明中无屋面恒荷载信息，无法判断原结构模型输入是否与建筑做法一致，故屋面恒荷载以现场实际称重结果为准，屋面计算时应考虑支撑系杆的自重，屋面恒荷载取值 1.37+0.03=1.40 kN/m2。

针对事故可能的原因，考虑图纸要求、支座约束条件、现场实测数据和材料试验结果等要素设计了三种工况，按照原图纸设计时的相关规范 GB 50009－2012《建筑结构荷载规范》［4］、GB 50017－2003《钢结构设计规范》［5］和 CECS 102∶2002（2012 版）《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》［6］，对屋盖钢梁进行建模验算分析，计算软件选用中国建筑科学研究院建研科技股份有限公司编制的 PKPM 系列软件。

5.1 工况一：支座约束按混凝土柱实际刚度计算确定

钢梁为 H700×300×10×12，Q345 钢；高强螺栓性能等级 10.9 级。

二层混凝土柱高 10.5 m，柱截面尺寸 500 mm× 500 mm，设计强度等级 C30，柱侧向刚度为 0.186 kN/mm，支座的水平约束可忽略不计，钢梁支座约束条件可取为竖向固定、水平释放。

计算结果表明，按图纸设计条件下，原设计屋面钢梁：① 钢梁应力比超限，最大应力比为 1.26，超限幅度26 %；② 钢梁跨中挠度为 215.6 mm＞L/250=96 mm（钢梁跨度L=24 m），远超规范限值；③ 屋脊拼接节点高强螺栓设置应为 12 个 M30，原图纸设置为 10 个 M 20，高强螺栓数量及规格均不足；节点板厚度应为 28 mm，原图纸设置为 16 mm，节点板厚度不足；因此节点承载力不满足规范要求。

5.2 工况二：支座约束按固定铰支座考虑

按图纸设计条件计算得到的计算结果超限情况令人惊讶，调查发现，设计人员并没有意识到主钢梁设计存在问题，进一步分析表明，设计时极有可能采用了错误的支座约束条件。

将工况一的支座约束改为三向固定铰支，重新进行验算。计算结果表明，在这种条件下，原设计屋面钢梁承载力、变形、节点构造是满足规范要求的。在这种约束条件下，钢梁对支座的反力是巨大的，不但对支座设计有很高的要求，对支承混凝土柱的侧向刚度也有很高的要求。如此细长的混凝土柱要提供如此大的反力时其水平变形量是以米计的，钢梁将以发生不适宜承载的过大变形而破坏。可见这种这种错误的假定约束条件造成了结构安全的假象。

5.3 工况三：支座约束按混凝土柱实际刚度计算确定

综合钢材力学性能试验和钢材材质化学分析试验的结果，钢梁实际采用的钢材强度等级为 Q235，取fy=215 N/mm2，高强螺栓性能等级为 8.8 级。事故发生时无异常天气状况，活荷载不计。

计算结果表明，按实际检测结果验算，原设计屋面钢梁：①钢梁应力比超限，最大应力比为 1.47，超限幅度 47 %；②钢梁跨中挠度为 165.4 mm＞L/250=96 mm，远超规范限值；③屋脊拼接节点高强螺栓设置应为 12 个 M30，原图纸设置为 10 个 M20，高强螺栓数量及规格均不足；节点板厚度应为 28 mm，原图纸设置为 16 mm，节点板厚度不足；因此节点承载力不满足规范要求。

6 坍塌原因分析

计算分析结果表明，主钢梁结构设计时没有考虑与下部支承结构的共同作用，支座约束条件选用错误，造成原设计图纸钢梁强度、刚度及屋脊节点承载力均不满足设计规范要求，结构安全度严重不足；屋面支撑体系设置不合理，不能为钢梁提供稳定的支撑作用。

现场检测及材料试验结果表明，现场实际安装的钢梁材料强度等级及高强螺栓的性能等级均低于设计文件的要求，高强螺栓连接副垫片设置不合理，材料、构配件、连接构造等方面的质量缺陷进一步降低了屋盖结构的安全度。

坍塌后钢梁较为平直、完整的外形表明钢梁本身未发生失稳破坏；由钢梁支座约束条件可知，钢梁端部所受支座约束很小，即支座地脚锚栓所受水平力较小，钢梁支座锚栓不会首先破坏；因此可以认为，钢梁在屋脊连接节点首先发生了破坏。

在屋面较大的荷载作用下，钢梁发生并一直保持着严重超限的竖向变形，由于屋脊拼接节点承载力严重不足，节点区域的应力集中及各种缺陷的长期存在，使节点承载力不断降低，在外伸端板处高强螺栓超过自身的极限承载力后失效，屋脊节点断裂，钢梁沿强轴方向发生弯折破坏坠落，钢骨架轻型板随之坠落、拉拽其余钢梁依次破坏，进而引起钢结构屋面整体坍塌。

7 对事故的思考

7.1 节点连接

本工程屋盖钢梁采用实腹式 H 型钢截面，屋脊节点连接采用端板外伸式高强螺栓连接，该节点形式大量应用于 20 世纪九十年代末开始大量推广的轻型门式刚架结构，该结构连接节点受力时存在微小转动，属半刚性节点，要满足刚接的计算假定，有明确的的适用条件，协会标准 CECS 102∶2002（2012 版）《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》及国家标准 GB 51022－2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》［7］均指出，轻型房屋屋面板适合采用压型钢板，即控制屋面恒荷载值。2012 年修订的协会标准及2015 年开始实施的国家标准均对轻型门式刚架结构节点刚度做出了明确要求，目的是保证连接节点的刚度，使计算假定与实际条件相符，避免过大屋面荷载使节点变形影响结构承载。

常用压型钢板屋面重量因构造、板厚、填充物容重等而异，恒荷载标准值范围（0.2～0.5）kN/m2，屋面活荷载标准值在主梁计算时取 0.3 kN/m2，檩条计算时取 0.5 kN/m2，恒荷载与活荷载之比约为 0.5～1.5。本工程选用的钢骨架轻型板建筑做法按原设计统计重量达到了 2.4 kN/m2，为活荷载取值的 8 倍，即使按照现场实际称重的统计值 1.4 N/m2，与活荷载的比值也达到了 4.6 倍，不再是轻钢屋面，已经不适合采用此节点形式，换言之，当选用这种连接形式时就为结构安全埋下了隐患。

7.2 支座约束

钢梁起坡后，在屋面荷载、自重等竖向荷载作用下对下部支承混凝土柱产生水平推力，混凝土柱抵抗钢梁的水平变形趋势，因此应该考虑钢梁与下部支撑结构的协同工作。考虑屋盖设计有时是独立进行的，实践中往往会简化计算，可将边界条件作为弹性约束，根据支承结构的支承形式、数量、支撑点处沿坐标系三个方向的刚度确定边界条件，这样可以近似地看作考虑了钢梁与下部结构间的共同工作。这样处理计算结果比较符合实际，计算工作量也不大。

JGJ 7－2010《空间网格结构技术规程》［8］对网架与下部结构的协同工作及边界约束条件提出了明确要求，此原则也同样适用于采用下部支承结构的钢结构屋盖。目前的结构分析电算程序种类齐全，功能也比较丰富，也可将钢梁与下部支承结构作为一个整体进行计算分析。

7.3 使用安全

工况三使用阶段的计算结果表明，在实际荷载工况下，主钢梁挠度为 165 mm（L/145），远大于设计规范变形允许值 96 mm（L/250）；按 GB 51008－2016《高耸与复杂钢结构检测与鉴定标准》［9］，主钢梁以过大变形评定的安全性等级为 du 级，即危及安全，必须及时采取措施。从坍塌后钢梁的端板变形情况判断，屋脊拼接节点外伸端板均已发生了明显的弯折变形。

在基于建筑物全生命周期房屋安全管理制度中，使用阶段是房屋安全管理的重要一环，也是时间延续最长的阶段，但据调查，我国既有建筑的使用和维护现状不容乐观，普遍存在重建设轻维护的现象。本案例中的钢梁发生的过大的挠度、节点异常变形是长期存在的，如果有效实施了建筑物使用安全管理制度，以上异常现象完全可以早发现早处理，从而避免整体坍塌事故。

8 结构处理

8.1 钢结构屋盖

坍塌后的钢结构屋盖已无法使用，应重新设计更换，基于原结构设计在体系选择、支座约束条件等存在的问题，新设计选用实腹式 H 型钢梁加岩棉夹芯彩钢板屋面的方案，按混凝土实际刚度确定支座约束进行主钢梁结构计算，完善了支座节点构造，屋面支撑系统设计时，在两个柱开间内设置水平支撑系统，保证钢梁的整体稳定，系杆采用φ114×3.5 圆管，水平支撑采用φ20圆钢。新屋盖结构平面布置如图8 所示，支座节点如图9 所示。

图8 新屋盖结构平面布置（单位：mm）

图9 支座节点（单位：mm）

8.2 支承混凝土结构

钢结构屋盖坍塌时坠落在二层混凝土楼面上，冲击造成部分构件破损。经检测，5～9/E～G 轴线区域混凝土板底存在不规则裂缝，部分板底混凝土破损脱落，钢筋弯折；5～9/E 轴混凝土梁侧面存在斜裂缝，裂缝宽度约为 1 mm。对破损的楼板采取置换混凝土加固法处理，新浇筑混凝土强度等级提高一级；对混凝土梁裂缝采用压力注浆法处理，并采用粘贴钢板法补强。

钢结构屋盖坠落时拉拽混凝土柱头，造成柱头混凝土脱落，结合后期新屋盖预埋的要求，对混凝土柱头采取置换混凝土加固法处理。