某生物質電廠鋼質灰庫倒塌事故分析

吳海英，陳乾星

（1.山西大學，山西 太原 030013；2.北京德普新源科技發展有限公司，北京 100027）

1 倒塌事故概況

2011年初，我國東部某生物質電廠200m3鋼質灰庫在試運行過程中發生坍塌，事故所幸未造成人員傷亡。灰庫倒塌前與倒塌后的情況如圖1、2所示。事故發生后，通過對原灰庫設計單位結構圖紙審查及對安裝過程文件和倒塌結構現場調研，從設計、施工等多方面對該灰庫的倒塌原因進行了分析。

圖1 灰庫倒塌之前全貌

圖2 灰庫倒塌現場

倒塌灰庫為一座容積200m3的鋼質灰庫，積灰密度介于0.5ton/m3～0.7 ton/m3之間,積灰溫度120℃左右。灰庫本體直筒部分板厚為8mm，灰斗部分板厚為10mm，灰庫底部為錐形。灰庫通過設置在本體中部的4個牛腿置于下部支撐鋼結構上。

倒塌灰庫下部支撐鋼結構原設計為柱距6m×6m、高度12.87m的框架支撐結構體系，分別在兩個方向設置支撐，由于運輸車輛通行需要，其中一個方向底層未設置支撐。柱采用HW400×400，標高12.87m處柱間梁采用HW300×300，標高8.91m處柱間梁采用2[20a槽鋼，標高5.0m處柱間梁采用2[25a槽鋼，支撐均采用L100×100×16角鋼，梁柱間節點采用鉸接方式連接，材質均為Q235-B。計算簡圖見圖3。

2 結構設計復核

2.1 強度驗算

圖3 鋼灰庫計算簡圖

圖4 鋼灰庫剛架支撐強度校核結果

在運行狀態下，灰庫內積灰隨時產生隨時清理，一般情況下不會達到設計容積的2/3。考慮到該灰庫在試運行階段即發生倒塌，故利用STAAD計算軟件僅對倒塌灰庫積灰達到設計容積2/3的情況進行了強度驗算，驗算結果如圖4所示。支撐構件在該荷載條件下，設計強度不滿足要求。驗算結果表明隱患早已埋下，一旦滿負荷運行，該灰庫必然會發生問題。

2.2 剛度驗算

通過計算發現，在積灰僅達到設計容積2/3的情況下，灰庫牛腿下的支撐梁即產生較大的撓度，從灰庫倒塌前的圖5，亦證實這種情況的存在。由于牛腿下部的支撐梁產生較大的豎向變形，使得該梁下部豎向支撐亦發生了相應的明顯的屈曲變形。究其原因：原設計所采用的梁的截面高度，即有效剛度不足，支撐的剛度不滿足要求。

圖5 支撐梁下豎向支撐的屈曲變形

2.3 穩定性驗算

在倒塌灰庫牛腿設計中，存在以下幾方面的問題導致構件失穩破壞。

①牛腿直接擱置于下部支撐鋼梁上，未采用能有效降低牛腿底面和鋼梁頂面摩擦系數的節點形式，因此，灰庫本體在積灰的溫度作用下，產生徑向膨脹，通過牛腿在鋼梁頂面產生一個垂直于弱軸方向的水平力，繼而對鋼梁產生一個扭矩。

②構造不當。在梁的上翼緣受有較大固定集中荷載處，根據文獻[1]宜設置支承加勁肋。而在該牛腿荷載作用點處，支撐鋼梁對應位置未設置加勁肋，故在荷載作用下易發生局部失穩。

③節點構造不合理，梁柱連接采用了鉸接方式，這種連接方式很難對水平力和扭矩產生有效的約束，而且容易發生梁端截面的扭轉，產生整體失穩。

從設計角度來說，設計基本沒有經過嚴格計算。該工程從出現破壞先兆到倒塌持續時間，結構安全儲備嚴重不足。假如在設計過程中梁柱節點采用剛結，增加結構的多于約束；牛腿支座采用摩擦系數較小的滑動支座，如聚四氟乙烯橡膠支座、梁荷載作用點處增加支承加勁肋均等方法，還是能夠有效的避免該事故的發生。

3 施工質量分析

從現場清理出來的廢墟看，現場施工質量粗劣、不規范且監理不到位是導致本次灰庫倒塌的另一主要原因，在整個施工過程中，缺少焊前、焊中、焊后檢驗完整過程[3]。

其主要表現如下：

①該灰庫現場作業人員在施工時未開展有效教育培訓，在所有焊接人員均無特種作業資格即開始施工。

②焊條不符合規定，未考慮現場溫度及濕度變化，同時焊接工藝及順序有誤。如：直角角焊縫在第一道焊縫施工時，通常焊條應采用4mm直徑以下焊條，以避免直角處形成空腔，但根據現場記錄及購貨單，該工程焊接時采用的均為5mm直徑以上焊條。

③現場鋼材存儲不當，型鋼在現場露天堆放，未采取有效防護，在尚未施焊的情況下即已造成鋼材局部銹蝕。

④焊縫接觸面處理不當，在鋼材焊接時，沒有及時有效的采取除銹措施；同時在焊接完成后亦未采取其他有效措施，如刷防腐油漆等方法，致使焊縫處氧化腐蝕。

⑤焊接質量不過關，從現場施工記錄來看，施焊時，焊接電壓不穩，電流過大或過小，導致焊材和母材結合不透，且部分位置施焊不連續。另外，從焊縫外觀即可發現多種問題，包括未焊滿、咬邊、夾渣、表面氣孔、根部收縮、接頭不良等。焊接破壞如圖6所示。

圖6 焊接接口破壞

4 吸取的教訓

隨著社會經濟的高速發展，全國各地的各種建設項目快速增加，為了片面追求經濟效益，不惜違背經濟規律，違反基本建設程序，忽視工程質量和安全，不進行項目管理等，給結構的安全留下了較大的隱患。而一旦出現事故，結構整體倒塌后，整個結構全部報廢，人的生命受到巨大的威脅，財產也有巨大的損失。因此，對于這種事故應以從以下幾方面防范。

①政府工程建設主管部門、政府質監機構應加大執法巡查力度，對違反基本建設程序、忽視工程質量和安全的工程堅決予以查處。監理單位對施工過程的質量和安全嚴格控制把關，確保工程建設質量和安全，提高工程建設水平。

②目前鋼結構設計人員的設計經驗及水平較低，缺乏工程背景，過分依賴先進的各種設計軟件，人工干預的能力差。因此，工程設計應由有相應資質的設計單位進行，設計人員應強化設計理念。工程在施工中嚴禁改變結構受力體系，需要改變使用功能的，需由原設計單位通過計算后作出設計變更。

③施工單位應合理的制作和安裝。提高技術工人和管理工人的素養。嚴格遵守工藝制作規程，按照有關標準規范檢查驗收，嚴禁隨意修改施工圖，避免制作尺寸的偏離過大，將對結構承載力影響大的初彎曲、初偏心、殘余應力等缺陷減到最小程度。

[1]GB50017-2003,鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[2]雷宏剛.鋼結構事故分析與處理[M].北京:中國建材工業出版社,2003.

[3]GB50661-2011,鋼結構焊接規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.