单层厂房钢结构屋盖整体垮塌的分析与思索.pdf

江苏建筑 2 0 1 1 年第 2 期 总第 1 4 0期 单层厂房钢结构屋盖整体垮塌的分析与思索 秦国秀 ， 吴灿彬 ， 余 日华 ， 杨放 无锡市房屋 安全 鉴定 中心 ， 江苏 无锡2 1 4 0 7 1 ； 南京工 大建设 工程技 术有 限公 司 ， 江 苏南 京2 1 0 0 0 9 【 摘 要】 针对某排架结构单层工业厂房屋盖垮塌事故， 从厂房支撑系统、 承载能力和构造连接等角度进行考察和分析， 指 出该厂房屋盖整体垮塌 的主要原因为厂房 支撑 系统、 构造连接存在严重缺 陷， 强调在鉴定工作 中应对单层厂房的 支撑和 构造 连 接 加 以 重视 。 【 关键词】 工程事故； 单层厂房； 垮塌； 轻钢屋架； 支撑系统 [ 中图分类号] T U 3 9 1 [ 文献标识码】 A【 文章编 - 1 1 o o 5 6 2 7 0 2 0 1 1 0 2 - 0 0 2 4 0 2 Re s e a r c h o n Ro o f Co l l a ps e Ac c i d e nt o f S i n g l e S t o r e y I nd us t r i a l Bu i l di n g Q I N G u o x i u WU C a n - b i n Y U R i - h u a Y A N G F a n g 2 1 ． S a f e t y A p p r a i s a l C e n t e r f o r H o u s i n g o f Wu x i C i t y ， J i a n g s u Wu x i 2 1 4 0 7 1 C h i n a ； 2 ． N a n j i n g G o n g d a C o n s t r u c t i o n T e c h n o l o g y C o ． ， L t d ， J a n g s u N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o a s i n g l e s t r r e y i n d u s t r i a l bu i l d i n g r o o f c o l l a p s e a c c i d e n t o f b e n t s t r u c t u r e ， i t p o i n t e d o u t t h a t t h e ma i n r e a s o n o f t h e o v e r a l l c o l l a p s e o f t h e f a c t o r y bu i l di n g r o o f i s t h e s e rio u s d e f e c t i n b r a c i n g s y s t e rn a n d s t r u c t u r a l c o n n e c t i o n s a n d i t ’ S s t r e s s e d t h a t mo r e a t t e n t i o n s s h o ul d b e p a i d t o t h e s y s t e m a n d s t ru c r u r a l c o nn e c t i o n s i n s i n g l e s t o r e y i n d u s t ria l b ui l d i n g d urin g t h e i d e n t i f i c a t i o n p r o c e s s ． Ke y wo r d s e n g i n e e ring a c c i d e n t ；s i n g l e s t o r e y i n d u s t ria l b u i l di n g ；c o l l a ps e ；s t e e l r o o f t r u s s ；b r a c i ng s y s t e m 为满足工业生产的大空间 、 大跨度 、 大负荷的需求 和标 准化 、 工业化 、 机械化 的施工需要 ， 排架结构越来越成为建 筑师和结构工程师们在单层工业 厂房设计施工方案选择时 的首选 。轻钢屋架 因其 自重轻 、 塑性和韧性较好 、 跨度大等 优点 ． 成了不少排架结构屋盖承重结构的理想组合 。 由于排 架结构设计施工的合理与否直接影响结构的安全 ，因而大 家都很重视 ， 而支撑体系和构造连接的重要性往往被忽视 ， 部分设计 和施工人员对支撑体系和构造连接的作用和受力 情况了解不够 ． 设计施工的支撑体 系和构造连接不合理 ， 使 其不能起 到应有的作用 ．对结构安全性造成一定的不 良影 响 。 无锡某厂区内一幢单层厂房伸缩缝 西侧 1 1 个开 问的 屋盖突发性整体垮塌 ， 造成 2 死 7伤 。 这是一起 当地罕见的 倒塌事故， 立即引起有关部门的高度重视 ， 其惨痛教训值得 社会深思 ， 更值 得我们从事工程设计 、 工程施工 、 工程鉴 定 与 加 固 同仁 的探 讨 、 分 析 和 总结 。 l工 程概 况 该单层厂房为单跨排架结构 ， 建于 2 0 0 4年。厂房纵向 分两个温度 区段 ， 西段 1 ～ 1 2轴共 j 1 个开间 倒塌部分 ， 东 段 1 3 ～ 2 2 轴共 9个开问。厂房柱距 6 ． 0 m、跨 度 1 8 ． 0 m、 伸 缩缝处设双柱 ， 厂房的平面布置见图 l 。厂房运行 1台 1 6 t 桥式吊车、 1台 1 0t 单梁 吊车及 1台 5 t 单梁吊车。厂房屋 二 i i i ．上 i ． f ■ ㈧ i _ ‘‘ f i 叫 { 一 叫 } { } 叫m} 一 图 1 厂 房 平 面 布 置 图 盖坍塌 当天 ， 无 风雨等 自然因素的影响。 厂房采用预制混 凝土方桩基础 ， 静压施工 ， 墙下设基础 梁 。 主体 由混凝土柱与轻钢屋架构成单跨排架结构。 排架柱 的下柱截面尺寸为 4 0 0 m m 8 0 0 m m， 柱顶标高 l 1 ． 1 m。由 三角形轻钢屋架 、 预制混凝 土檩 条、 木望板 、 机制平瓦构成 双坡屋面。 混凝土 T形吊车梁底标高 7 ．0 m。 两侧纵 向围护 墙为机制八 五砖混合砂浆围砌 于排架柱外侧 ．两端 山墙为 八五砖混合砂浆嵌砌于抗 风柱与角部排架柱之间。 2 厂房屋盖垮塌的原 因分析 2 ． 1 厂房的支撑系统 排架结 构单层 厂房 的支 撑系统对 确保 厂房 的整体稳 定 、 有效传递各种荷 载至关重要。支撑 系统包括屋盖支撑 、 柱间支撑。布置支撑系统时 ，通常应该按厂房具体尺寸布 置 、 吊车起重量和轨高 、 有无天窗 、 有无振动设备 、 有无特殊 [ 收稿日；N ] 2 0 1 1 - 0 3 ． O l 【作者简 介傣国 秀 ， 9 7 7 一 ，无 锡 市 房 屋 安 全 鉴 定 中 心 ， 工 程 师 ，硕 士 ， 结 构 工 程 专 业 ，研 究 方 向 建 筑 加 固 与 鉴 定 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1 年第 2期 总第 1 4 0期 2 5 性局部水平荷载等因素综合分析确定 2 ． 1 ． 1 屋盖支撑 由屋架 、檩条和屋面材料等构件组成的有檩屋 盖是几 何可变体系。 一般屋盖支撑的种类包括上弦横向水平支撑 、 下弦横向水平支撑 、下弦纵 向水平支撑 、垂直支撑 和系杆 等 。 其中屋架的受压上弦虽然与檩条连接 ． 但所有屋架 的上 弦有可能向同一方向以半波 的形式鼓 曲．使得上弦 的计算 长度为屋架 的跨度 ， 承载力下降。 其次 ， 屋架下弦虽是拉杆 ， 但侧 向无联系时 ， 会引起较大的水平振动和变位 ． 增加杆件 和连接 中的受力 。 此外端墙传 来的风荷载 ． 仅靠屋架的弦杆 承受和传递是 不够 的。 经现场 查勘 ， 该 倒塌厂房屋架跨 度为 1 8 m， 厂房屋盖 属有檩体系 ． 屋盖结构未设屋架上弦支撑 ． 导致屋架上弦在 排架平面外 的计算长度加大 ； 也未设屋架 问垂直支撑 ； 仅在 两端间设 置单根斜角钢 ， 以连接屋架 顶部与山墙圈梁 。 其余 各间设屋架上下弦通长系杆 如图 1 所示 。厂房屋盖支撑 系统完全不符合有关规 范⋯ [2 1的 的支撑布置规定 ． 易导致屋 架发生平面外失稳 具体验算如下 上弦截面为 2 7 v 7 5 x 5 ， 腹杆- 1 F 4 5 x 5 ． 下 弦截 面为 2 - 1 r 6 3 x 5 。对 上弦杆进 行稳定验算 取受力较大 的 3 3号 杆1 I J x 1 55 ． 5 c m ， Ly 9 00 c m ， A1 48 2 ll l m。 ， i x 2． 3 2， i y 3． 4 3， k 6 7 ． 0 3 ， 2 6 2 ．3 9 因为[ x ] 1 5 o ， 故 不满足刚度要求 。 然后选择一榀屋架 ，用 P K P M 软件对该屋架各杆件承 载力 、稳定性进行 分析f 不计 M 作用 ， 计算 模型如 图 2所 示 ， 计算后表 】 的数据显示上 弦杆在屋架平面外失稳 表 1 屋架 部 分 杆 件 的 受 力结 果 杆件 实际应力／ 强度设计值 平面内稳定 平面外稳定 3 3 号上 弦 杆0 ． 4 5 3 2 ． 0 4 图 2一榀钢屋架计算模型 2 ． 1 ． 2 柱问支撑 柱闯支撑的作用是将 山墙风荷载 、吊车的纵向水平荷 载传至基础 ． 起到加强厂房纵 向刚度和稳定 性的关键作用。 规范的做法应该是 厂房跨度 ≥1 8／ ／ 1 或柱高 ≥8／ ／ 1 或 在运行有≥1 0 t 的中 、 轻工作制 吊车厂房内 ， 在温度 区段 两 侧与屋架横向水平支撑相对应 的开 问， 设置上柱柱间支撑 ， 在温度区段 中央或临近中央的开间设鼍上柱和下柱柱 问支 撑 。 该倒塌厂 房围护墙体采 用柱外 围砌 ， 跨度 l 8 I1 1 ， 柱高 1 1 ． 1 IT I ， 运 行 的 3台 吊 车 中 2台 ≥ 1 0 t ， 按 规 范必 须 设 置 柱 间支撑 ， 但厂房纵 向未设任何柱问支撑。据现场人员反映 ， 厂房倒塌时 1 6 t 桥式吊车正处于运行状态 在厂房 已使用的两年时间内， 南于没有柱问支撑 ． 不能 有效地将 吊车纵 向制动力传递 至基础 ．导致纵 向水平力 由 排架柱影 响到屋盖 ， 造成排架柱和屋架 的侧 向偏移 ． 并积累 一 定的侧 向偏移量 ， 最终的倒塌是量 的积 累和质的转变 ， 也 是 必 然 的结 果 2 ． 2 厂房的结构布置 厂 房所 在 的无 锡 地 区 为 6度 抗 震 设 防 地 区 ．原 设 计 在 厂房两端即 1 、 2 2轴设有混凝土柱及屋架 ， 但实际厂房两端 1 、 2 2轴处设有 排架柱 ， 但未设屋架 ， 而是 直接采用 山墙承 重。 厂房端开问屋盖构造明显不符合 建筑抗震设 计规范 第 9 ． 1 ． 1 ． 7条规定 ． 即 厂房端部应设屋架 ． 不应采用山墙承 重 。 2 ． 3厂房 的山墙 、 抗风柱构造 检查 中发现 ， 房屋山墙抗风柱未伸至山尖半层 仅到纵 墙檐 IS l 高度 ， 不符合有关设计规范的要求。 另外 ， 山墙砌于端部排架柱之间 ， 端间吊车粱与山墙之 间未 留缝隙 ． 导致吊车纵 向制动力直接作用 于山墙。 实查 山 墙砂浆强度甚低 ， 在厂房屋盖倒塌时 ， 西 山墙圈粱以上砖砌 山尖 也 整 片倒 塌 ， 如 图 3所 示 。 图 3 厂 房 端 间柱 、 墙 布 置 2 _4厂 房 的混 凝 土 排 架 柱 2 _4 ． 1 承载 能 力 根据 回弹法检测混凝土抗压 强度技术规程 【 的规定 ， 经回弹钻芯修正综合法检测 ， 按抽样批评定 ， 排架柱混凝土 强度推定值 为 l 7 ． 4 MP a ， 低于原设计要求 。 对该厂房排架柱钢筋配置检查 ．符合设计配筋规格及 数量 ， 并对该厂房排架柱侧面随机抽取一组纵向钢筋 ， 进行 钢筋力学性能试验测试 ． 相关指标符合要求。 2 - 4 ． 2结构水平位移 由于施工偏差 ． 排架柱存在平 面外倾斜现象 ． 如 2 ／ 1 3 柱向 东倾斜率达 6 ％ o ，不符合 混凝土结构工程施工质量验收规 范 阁第 8 ． 3 -2条表 8 ． 3 ． 2 一 I 关于现浇结构尺寸允许偏差 的规 定 垂直度偏差≤3 0 mm 。排架柱平面外倾斜率也超出 工业 建筑可靠性鉴定标准 口 7 ． 3 9条变形 C级的规定 ， 导致屋架 不能居中搁置 ， 产生平面外偏心 ， 不利于排架柱的承载。 下 转 第 6 4页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1 年第 2 期 总第 1 4 0期 3结论 管桩 以其桩身质量 可靠 、 适应性强 、 造价经济等优 点 ， 正逐步得到推广使用 ， 越来越受到欢迎和接受 。 尽管预 应力 高强混凝土 P HC桩有诸多优点 ， 但 在设计和施工 中 。 仍然 存在承载力确定依据不统一 、施工终压力取值难确定及相 邻基桩桩端标高差异引发 的影响界限不明确等问题 ．有待 于进一步研究和完善 ； 其 在勘察 、 设计 、 施工等方 面还存着 许多亟待解决的问题 。需要通过广大工程技术人员的不断 努力 ， 积累和总结预应力管桩的应用经验 。 提高其应用 的技 术水 平。 参考文献 [ 1 ] 史佩栋． 桩基工程手册【 M 】 ． 人 民交通 出版社， 2 0 0 8 ， 7 ． 【 2 】 J G J 1 0 6 2 0 0 3建筑基桩检测技 术规 范【 S 】 ． 中国建筑工 业 出版 社 ． 2 0 0 3 ． [ 3 ]3 J G J 9 4 - 2 0 0 8建 筑桩基技 术规 范【 S ] ． 中国建筑 工业 出 版 社 ． 2 0 0 8 ． 【 4 】 苏G 0 3 2 0 0 2先张法预应力混凝土管桩 图集【 S 】 ． 中国建 筑 工 业 出版 社 ． 2 0 0 2 ． 上接 第 2 5页 2 ． 5厂房的屋架 2 ．5 ． 1 钢 屋 架 的 承载 能 力 经检查 ．钢屋架各杆件的截面和强度基本符合设 计要 求 ， 但部分杆件平面外的稳定承载力不足。 2 ．5 ． 2 钢屋架的制作 钢屋架各节点板偏小 ， 各杆件与节点板焊缝长度偏小 ， 且焊接质量较差。特别应指 出的是钢屋架支座节点构造完 全不符合标准 图要求 ， 支座无底板 ， 竖向节点板两侧也无加 劲 板 。 2 ．5 -3 钢屋架的连接构造 按标准 图要求 ．钢筋混凝土柱顶应设预埋铁板和锚固 螺栓。而实际排架柱顶设有预埋铁件 ， 但无锚固螺栓 ． 安装 时仅将屋架的竖 向节点板与柱顶预埋铁件 焊接 ．而柱顶预 埋铁件的锚 固钢筋采用 Ⅱ级钢筋 ， 且采用 9 0 。 弯折焊接。现 场检查显示屋架倒塌时引起 的强大拉力，导致锚固钢筋在 弯折处断裂， 即支座破坏 如 图 4所示 。 图 4 屋 架 支 座处 破 坏 2 ．6垮塌原 因小结 综上分析可以得出如下结论 该 厂房屋盖垮塌的主要 原因在于厂房支撑系统的严重缺失引起 的钢屋架承载能力 不足 ； 另外该厂房在结构布置 、 钢屋架 支座节点构造及与柱 的连接等处也存在严重缺陷 。 3 几点思考 3 ． 1 需强化施工单位 的认识 根据近几年的鉴定案例 ， 支撑系统严 重缺失 、 不完 整及 构造连接 的不规范是乡镇企业中在役排架结构单层厂房 的 通病。 一些 乡镇的建筑施 工单位对支撑系统 的种类不了解 ， 对支撑的作用不重视 ， 对支撑 的制作和安装方法不掌握。 屋 架不预 留安装孔 、 柱子不设 预埋件 、 或仅设置简 易支撑 如 端问设斜杆 、 或仅部分按设计施工 、 支撑不完整 、 支撑杆件 长细 比不满足要求 、支撑与屋架 的连接无节点板等等现象 比较普遍 。 导致较大的结构安全隐患。 3 ． 2 需强化鉴定单位的认识 相关规范对结构构造和支撑 系统高度重视 ， 如 工业建 筑可靠性鉴定标准 同规定 “ 上部承重结构 的安全性等级 ， 应按结构整体性 和承载功能两个项 目评定中较低的评定等 级取值 ” ，同时又规定 “ 结构 整体性 应根据结构布置和构 造 、 支撑 系统两个项 目。 并取这 两者 中较低等级作 为结构整 体性 的评定等级” 。 规范要求在工业 厂房的各个系统和分项层层设 防 ， 才 能确保房屋结构 的使用安全 ， 而就本文探讨 的厂房而言 ． 可 以说是“ 多道 防线失守” 。 最终造成厂房屋盖 瞬间垮塌。 这就 要求鉴定人员在鉴定工作 中既要对 厂房构件的承载能力加 以重视 ， 又决不可忽略对 支撑 系统及结构构造 的检查。 3 - 3 需强化整改的重要性 结合该 工程事故 的案例 ，鉴定人员应对排架结 构单层 厂房的支撑系统设置 的技术要求深 入学 习和领会 ．并熟练 掌握 。 在实际鉴定 中凡发现存在支撑严重不到位 、 构造连接 严重缺陷的厂房 ， 坚决要求厂房业主进行整 改， 并对其整改 进行验收 参考文献 【 1 】 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢结构设计规 范【 S 】 ． 北京 中国建筑工业 出版 社 ． 2 0 0 3 ． 【 2 】 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0建筑抗震设计规 范【 S ] ． 北京 中国建筑工 业 出 版 社 ． 2 0 1 0 ． f 3 】 J G J 2 3 ／ r 一 2 o o 1回弹法检测混凝 土抗压 强度技 术规程 【 S 】 ． 北京 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 1 ． [ 4 ] G B 5 0 2 0 4 - 2 0 0 2混凝土结构 工程施工质量验收规范【 S 1 ． 北京 中国建筑工业出版社． 2 0 0 1 ． 【 5 ] G B 5 0 1 4 4 2 0 0 8工业 建筑可靠性鉴 定标 准f S 1 ． 北京 中 国建 筑 工 业 出版 社 ． 2 0 0 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m