某門式剛架輕鋼結構廠房施工階段倒塌事故分析

張凱靜 周建文

(1.中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071; 2.湖北省建筑科學研究設計院股份有限公司，湖北 武漢 430071)

1 概述

門式剛架輕型鋼結構是單層工業廠房中一種常見的結構形式。這類結構形式的最大特點是：自重輕，抗震性能好，工業化程度高，施工周期短等。

本文針對一起門式剛架結構廠房施工階段的倒塌事故[1-3]，根據現場的破壞情況，結合第三方取樣檢測、結構計算等對鋼結構廠房倒塌原因進行深入分析，并提出施工建議。

2 工程事故概況

某大型鋼結構廠房建筑面積約5 500 m2，主體結構為雙坡門式剛架輕鋼結構。鋼結構廠房縱向長82.4 m(13跨)，橫向長70.0 m(10跨)，最大柱距：7.0 m。屋脊梁頂結構高度：10.884 m，屋檐梁頂結構高度：8.0 m。基礎采用柱下管樁基礎，經計算一柱一樁，承臺間設置基礎梁。基礎混凝土強度等級為C30，鋼梁、鋼柱、檁條鋼材采用Q345，預埋錨栓、系桿支撐均采用Q235。屋面采用壓型鋼板作為圍護結構，屋面梁采用H型變截面鋼梁，屋面系統由C型鋼檁條及十字交叉圓鋼組成，柱截面采用H型實腹柱。2019年11月17日晚，該工程已安裝部分整體倒塌。倒塌現場如圖1～圖4所示，剛架布置如圖5～圖7所示。

為分析剛架坍塌事故發生的原因，對現場進行了檢測和技術鑒定。

表1 現場安裝情況調查

從表1可以看出，結構抗風柱、隅撐未安裝，水平支撐未安裝完，柱腳處未進行二次澆筑。根據氣象資料，事發當時，風速較大，極大風速達到13.3 m/s(6級風)。建筑倒塌方向為L軸向A軸方向(見圖1)。倒塌現場，鋼結構構件與基礎短柱連接處混凝土多處開裂，部分混凝土破碎(見圖2)、地腳螺栓拔出、彎曲變形、錨栓螺母脫落、部分錨栓斷裂；剛架柱腳尚未進行混凝土二次澆灌(見圖3)，柱腳與混凝土短柱間未見墊塊；鋼柱、鋼梁等構件變形，屋面檁條大部分脫落、變形、破壞(見圖4)。

3 事故原因分析

3.1 材料方面

鋼結構的梁、柱及次構件等結構的尺寸進行現場抽檢，所檢梁、柱、系桿、檁條、地腳螺栓尺寸符合設計要求。該工程鋼結構主構件鋼板力學性能均符合國家相關規范規定。

對承臺及混凝土短柱鉆取芯樣，檢測混凝土抗壓強度，檢測結果表明所檢構件混凝土抗壓強度推定值達不到設計強度等級要求(見表2)。

表2 承臺及混凝土短柱混凝土抗壓強度檢測結果

3.2 設計方面

1)主體及圍護結構。

原設計采用中國建筑科學院PKPM2010等系列軟件V4.1版本，現采用3d3s軟件14.1.9版對原設計重新校核。根據驗算結果，該工程主體及圍護結構設計符合國家相關規范的規定(見圖8)。

2)柱腳錨栓。

廠房原設計柱腳錨栓為4根M24，柱腳連接為鉸接。根據現場勘測，基礎頂面與柱腳底板之間的預留高度接近100 mm，施工人員對該廠房剛架安裝完成后，未及時按照原設計要求采用C40微膨脹自流性細石混凝土填實。

根據現場錨栓的破壞形式，對坍塌前已安裝剛架在自重和風荷載組合作用下的實際受力情況進行承載力驗算。該地區氣象局觀測站提供的2019年11月17日18時至20時，最大風速為13.3 m/s，其風力為6級。計算出風荷載標準值為0.11 kN/m2，該值小于設計值的0.35 kN/m2。在自重及風荷載作用下對結構進行分析，梁、柱等主要受力構件應力比在0.20～0.40之間。從現場調查情況，梁柱連接處無明顯破壞，梁、柱未見明顯局部變形，可推斷出：結構在自重及風荷載作用下，未產生明顯的變形破壞，其變形主要是在坍塌的過程中產生。

結構倒塌是一個動態變化的過程，結構受力情況時刻發生變化。剛架未受外力作用下，其柱腳的位移均受約束，因此在風荷載作用的瞬間假定柱腳為剛接，柱底彎矩使柱腳錨栓一側受拉，另一側受壓。

假定不考慮柱腳錨栓缺陷，當地腳螺栓正常工作時，取柱腳最不利一組內力N=50.334 kN，M=13.386 kN·m，V=1.350 kN，以一個柱腳四個錨栓計算，則單個錨栓的反力為：N=101.8 kN，V=0.34 kN。

強度驗算：

穩定性驗算：

由計算可知：在風荷載作用的瞬間，錨栓實際受力已超過其本身的承載能力。實際情況，柱腳與基礎的連接近似鉸接，加之基礎頂面與鋼柱底板之間的預留空間較大，使錨栓的剛度約束進一步削弱。因此，縱向風壓作用時，錨栓不會立即發生破壞，但會表現為鋼柱以柱腳為軸發生轉動。假定考慮地腳螺栓傾斜θ=5°，風荷載和剛架在自重作用下，以一個柱腳四個錨栓計算，則單個錨栓的反力為：

M=Nx=101.8×0.05×tan5°=0.445 kN·m。

強度驗算：

穩定性驗算：

596.4 MPa≥205 MPa。

由驗算可知，在考慮柱腳錨栓傾斜θ=5°的情況下，柱腳錨栓的受力情況更為不利。

4 結論

1)現場施工順序錯誤。

依據GB 51022—2015門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范[4]：剛架應先安裝靠近山墻有柱間支撐的兩榀剛架，在施工中應及時安裝好其間的檁條、支撐、隅撐等，并檢查其垂直度，必要時增設纜風繩充分固定。以這兩榀剛架為起點，向房屋另一端順序安裝。根據現場調查結果，倒塌區內除抗風柱外，所有主剛架已經安裝完成，但是僅安裝兩根水平支撐，且水平支撐的規格和安裝方式均不符合設計要求。沒有安裝柱間支撐和隅撐，表明在尚未安裝柱間支撐、水平支撐和隅撐就安裝了檁條和系桿，使得已安裝的剛架沒有形成空間剛度單元。

2)現場基礎施工質量差。

鋼結構施工時，柱腳錨栓預留二次澆灌層高度大于設計高度，混凝土對柱底地腳錨栓握裹能力不足，其抗剪切能力也隨之降低，致使連接節點剛度降低。未加楔形墊塊，柱腳板上部僅有一個螺栓，基礎頂部標高低于設計值，造成鋼柱底部的抗剪鍵不能發揮作用，造成柱腳錨栓基本處于“懸臂”狀態。所檢承臺及混凝土短柱混凝土強度推定值達不到設計強度等級。

5 結語

本案例是由于柱腳錨栓失穩造成的門式剛架輕鋼結構廠房在施工過程中發生倒塌。建議：門式剛架輕鋼結構廠房在施工過程中應嚴格遵守規范規定，按照設計要求進行施工安裝，保證工程質量；柱腳在進行二次灌漿前，柱底板的4個角可設置柱底墊板，避免在施工階段因風荷載等外力作用導致柱腳錨栓失效。