劉明寶,馬 萍,李咀安
(1.山東建筑大學,山東 濟南 250101;2.山東建固特種專業(yè)工程有限公司,山東 濟南 250000;3.山東建筑大學鑒定檢測中心有限公司,山東 濟南 250000)
與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)具有強度高、重量輕、施工周期短、可裝拆等優(yōu)點,近年來大量應(yīng)用于高層建筑、大跨度公共建筑、工業(yè)廠房(包括輕型鋼屋蓋)[1]。對于高層建筑或大跨度公共建筑,建設(shè)人員普遍比較重視,嚴格控制質(zhì)量,具有較高的安全度,一些中小型工業(yè)廠房因為過度追求低成本,往往千方百計地降低用鋼量,加之施工隊伍水平良莠不齊,構(gòu)件加工及安裝過程中造成大量質(zhì)量缺陷,由此造成的事故屢見不鮮。統(tǒng)計分析表明,在鋼結(jié)構(gòu)事故中,工業(yè)廠房及普通輕型鋼屋蓋所占比例最高,達 53.2 %[2],這是因為鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)廠房和普通輕型鋼屋蓋方面應(yīng)用最多,因此有必要對此類結(jié)構(gòu)進行深入的分析研究。本文介紹一個典型的廠房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋坍塌事故的檢測鑒定、分析及處理實例,通過現(xiàn)場、實驗室檢測和結(jié)構(gòu)驗算,分析事故發(fā)生的原因,并從設(shè)計、施工、使用等方面提出了避免事故發(fā)生的建議。重新設(shè)計鋼屋蓋,選擇巖棉夾芯彩鋼板作為屋面板,按照鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行指標控制,保證結(jié)構(gòu)安全度。
山東省某公司車間采用混凝土框排架結(jié)構(gòu),總建筑面積為 1 330 m2,共兩層,首層采用混凝土框架結(jié)構(gòu),層高 5.8 m;二層為大空間,軸線尺寸 26 m×24 m,采用鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,混凝土柱支承,主梁采用實腹式 H 型鋼制作,跨度 24 m,對稱雙坡,坡度 5 %,柱頂標高 16.30,柱距分別為 5.25 m×2+4.75 m×2+6 m。H 型鋼梁截面尺寸700×300×10×12,采用 Q345 鋼,屋脊處設(shè)拼接節(jié)點,全螺栓連接,M 20 高強螺栓性能等級 10.9 級;支座節(jié)點設(shè)置 2M24 地腳錨栓,但未進行明確的構(gòu)造設(shè)計。沿屋脊處設(shè)置一道通長系桿,采用φ89×3.5 圓管,系桿與兩側(cè)女兒墻墻體相連;2~3 軸間設(shè)置水平交叉支撐,采用φ20 圓鋼制作,支撐結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為 Q235 鋼。屋面板選用鋼骨架輕型板,設(shè)計屋面做法選用建筑圖集。屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置如圖1 所示。
圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置(單位:mm)
該工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防烈度為 7 度(0.10g),設(shè)計地震分組為第三組,建筑場地類別為 II 類,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類,框架抗震等級為三級,地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級,結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為 50 年。設(shè)計采用基本風壓為 0.45 kN/m2,地面粗糙度 B 類,基本雪壓為 0.35 kN/m2,非上人屋面活荷載0.3 kN/m2(荷載范圍>60 m2時)。
該車間于 2013 年 3 月完成主體結(jié)構(gòu)的施工,已投入使用多年,2019 年 4 月 3 日晚 8 時許,該建筑物二層鋼結(jié)構(gòu)屋蓋發(fā)生整體坍塌,事發(fā)時天氣多云、微風,無極端天氣狀況。
現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn),所有鋼梁均從柱頂混凝土牛腿支座處脫離墜落,所有鋼梁支座處地腳錨栓均被剪斷(見圖2);柱頭混凝土保護層不同程度損壞(見圖3),混凝土柱身未見明顯異常;鋼梁墜落后,除東側(cè) 1 榀鋼梁(5 軸)外,其余 3 榀鋼梁的屋脊拼接節(jié)點均已完全脫開,高強螺栓多數(shù)已缺失,端板外伸部分彎折變形(見圖4);現(xiàn)場所有鋼梁基本保持平直狀態(tài),未發(fā)現(xiàn)鋼梁出現(xiàn)側(cè)彎、扭曲、翹曲等現(xiàn)象,如圖5 所示。
圖2 支座處地腳錨栓剪斷
圖3 柱頭混凝土保護層損壞
圖5 鋼梁外觀
屋面鋼梁布置及水平支撐設(shè)置與設(shè)計相符,該水平支撐結(jié)構(gòu)布置不完整,交叉支撐與鋼梁交接處缺少剛性系桿,圓鋼交叉支撐張緊時,沒有受壓系桿承擔交叉支撐的水平分力,支撐系統(tǒng)不但不能為鋼梁提供有效的側(cè)向約束,還將造成鋼梁平面外受拉,降低鋼梁的整體穩(wěn)定承載。采用激光測距儀及鋼卷尺對鋼結(jié)構(gòu)布置進行測量,鋼梁跨度、柱距等與設(shè)計相符。
采用鋼尺、游標卡尺及金屬測厚儀對屋面鋼梁、剛性系桿、水平支撐的截面尺寸進行檢測,結(jié)果表明構(gòu)件截面尺寸偏差能夠滿足 GB 50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[3]及相關(guān)材料標準的要求,符合設(shè)計要求。
檢查鋼梁屋脊的節(jié)點構(gòu)造,5 軸鋼梁下翼緣連接端板處發(fā)生端板撕裂破壞,上翼緣節(jié)點處尚有1個高強螺栓相連,其余鋼梁屋脊節(jié)點均已分離,大多數(shù)節(jié)點處高強螺栓已破壞脫落(見圖6),節(jié)點連接用高強螺栓性能等級為 8.8 級,與設(shè)計圖紙中 10.9 級不符,部分螺栓墊片設(shè)置不符合 GB/T 1231-2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》的規(guī)定,個別螺栓單側(cè)墊圈數(shù)目多達 5 個。其余構(gòu)造如螺栓布置、螺栓數(shù)目、節(jié)點板尺寸等與設(shè)計相符。
圖6 破壞的高強螺栓
支座處預(yù)埋鋼板未設(shè)置錨筋與設(shè)計圖紙不符。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查復(fù)原支座構(gòu)造如圖7 所示,鋼梁支座底板與柱頭間懸空,鋼梁與墊板間、墊板與預(yù)埋鋼板間均未可靠連接,鋼梁支座與混凝土柱不能緊密接觸,支座構(gòu)造不能保證鋼梁與混凝土柱可靠連接。
圖7 支座構(gòu)造復(fù)原
對鋼梁焊縫進行檢查,未發(fā)現(xiàn)焊縫表面有明顯氣孔、夾渣等外觀質(zhì)量缺陷。采用超聲波探傷儀對鋼梁與端板連接焊縫進行無損檢測,未發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部存在未焊透、未熔合等缺陷,焊縫質(zhì)量滿足 GB 50205-2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》的要求。
按照建筑專業(yè)圖紙,屋面建筑做法由內(nèi)到外依次為①鋼骨架輕型板;②20 mm 厚 1∶3 水泥砂漿找平層;③1.2mm 厚聚氨酯防水涂料隔汽層;④最薄 30 mm 厚 LC5.0 輕集料混凝土 2 % 找坡層;⑤60 mm 厚硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料;⑥20 mm 厚 1∶3 水泥砂漿找平層;⑦聚氯乙烯防水卷材;⑧10 mm 厚低標號砂漿隔離層;⑨20 mm 厚 1∶3 水泥砂漿面層。
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,屋面實際建筑做法與圖紙不符,由內(nèi)到外依次為:①鋼骨架輕型板;②30 mm 厚水泥砂漿找平層;③單層防水薄膜;④5 mm 厚水泥砂漿保護層?,F(xiàn)場提取一塊較完整的鋼骨架輕型板屋面后,對鋼骨架輕型板及建筑面層分別稱重并除以板的面積,得到板的恒荷載代表值,稱重結(jié)果明細如表1 所示。
表1 稱重結(jié)果明細
分別在坍塌屋蓋鋼梁的翼板、腹板上現(xiàn)場取樣,加工成標準試樣后,在萬能試驗機上進行鋼材力學性能試驗;采用直讀光譜儀對鋼板進行材質(zhì)化學分析。試驗結(jié)果表明:①鋼材屈服強度、抗拉強度均不滿足 Q345 鋼的要求,但能滿足 Q235 鋼的要求;②鋼材化學元素含量結(jié)果符合 Q235 鋼的要求。
因結(jié)構(gòu)設(shè)計說明中無屋面恒荷載信息,無法判斷原結(jié)構(gòu)模型輸入是否與建筑做法一致,故屋面恒荷載以現(xiàn)場實際稱重結(jié)果為準,屋面計算時應(yīng)考慮支撐系桿的自重,屋面恒荷載取值 1.37+0.03=1.40 kN/m2。
針對事故可能的原因,考慮圖紙要求、支座約束條件、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和材料試驗結(jié)果等要素設(shè)計了三種工況,按照原圖紙設(shè)計時的相關(guān)規(guī)范 GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[4]、GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]和 CECS 102∶2002(2012 版)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6],對屋蓋鋼梁進行建模驗算分析,計算軟件選用中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司編制的 PKPM 系列軟件。
鋼梁為 H700×300×10×12,Q345 鋼;高強螺栓性能等級 10.9 級。
二層混凝土柱高 10.5 m,柱截面尺寸 500 mm× 500 mm,設(shè)計強度等級 C30,柱側(cè)向剛度為 0.186 kN/mm,支座的水平約束可忽略不計,鋼梁支座約束條件可取為豎向固定、水平釋放。
計算結(jié)果表明,按圖紙設(shè)計條件下,原設(shè)計屋面鋼梁:① 鋼梁應(yīng)力比超限,最大應(yīng)力比為 1.26,超限幅度26 %;② 鋼梁跨中撓度為 215.6 mm>L/250=96 mm(鋼梁跨度L=24 m),遠超規(guī)范限值;③ 屋脊拼接節(jié)點高強螺栓設(shè)置應(yīng)為 12 個 M30,原圖紙設(shè)置為 10 個 M 20,高強螺栓數(shù)量及規(guī)格均不足;節(jié)點板厚度應(yīng)為 28 mm,原圖紙設(shè)置為 16 mm,節(jié)點板厚度不足;因此節(jié)點承載力不滿足規(guī)范要求。
按圖紙設(shè)計條件計算得到的計算結(jié)果超限情況令人驚訝,調(diào)查發(fā)現(xiàn),設(shè)計人員并沒有意識到主鋼梁設(shè)計存在問題,進一步分析表明,設(shè)計時極有可能采用了錯誤的支座約束條件。
將工況一的支座約束改為三向固定鉸支,重新進行驗算。計算結(jié)果表明,在這種條件下,原設(shè)計屋面鋼梁承載力、變形、節(jié)點構(gòu)造是滿足規(guī)范要求的。在這種約束條件下,鋼梁對支座的反力是巨大的,不但對支座設(shè)計有很高的要求,對支承混凝土柱的側(cè)向剛度也有很高的要求。如此細長的混凝土柱要提供如此大的反力時其水平變形量是以米計的,鋼梁將以發(fā)生不適宜承載的過大變形而破壞??梢娺@種這種錯誤的假定約束條件造成了結(jié)構(gòu)安全的假象。
綜合鋼材力學性能試驗和鋼材材質(zhì)化學分析試驗的結(jié)果,鋼梁實際采用的鋼材強度等級為 Q235,取fy=215 N/mm2,高強螺栓性能等級為 8.8 級。事故發(fā)生時無異常天氣狀況,活荷載不計。
計算結(jié)果表明,按實際檢測結(jié)果驗算,原設(shè)計屋面鋼梁:①鋼梁應(yīng)力比超限,最大應(yīng)力比為 1.47,超限幅度 47 %;②鋼梁跨中撓度為 165.4 mm>L/250=96 mm,遠超規(guī)范限值;③屋脊拼接節(jié)點高強螺栓設(shè)置應(yīng)為 12 個 M30,原圖紙設(shè)置為 10 個 M20,高強螺栓數(shù)量及規(guī)格均不足;節(jié)點板厚度應(yīng)為 28 mm,原圖紙設(shè)置為 16 mm,節(jié)點板厚度不足;因此節(jié)點承載力不滿足規(guī)范要求。
計算分析結(jié)果表明,主鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時沒有考慮與下部支承結(jié)構(gòu)的共同作用,支座約束條件選用錯誤,造成原設(shè)計圖紙鋼梁強度、剛度及屋脊節(jié)點承載力均不滿足設(shè)計規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)安全度嚴重不足;屋面支撐體系設(shè)置不合理,不能為鋼梁提供穩(wěn)定的支撐作用。
現(xiàn)場檢測及材料試驗結(jié)果表明,現(xiàn)場實際安裝的鋼梁材料強度等級及高強螺栓的性能等級均低于設(shè)計文件的要求,高強螺栓連接副墊片設(shè)置不合理,材料、構(gòu)配件、連接構(gòu)造等方面的質(zhì)量缺陷進一步降低了屋蓋結(jié)構(gòu)的安全度。
坍塌后鋼梁較為平直、完整的外形表明鋼梁本身未發(fā)生失穩(wěn)破壞;由鋼梁支座約束條件可知,鋼梁端部所受支座約束很小,即支座地腳錨栓所受水平力較小,鋼梁支座錨栓不會首先破壞;因此可以認為,鋼梁在屋脊連接節(jié)點首先發(fā)生了破壞。
在屋面較大的荷載作用下,鋼梁發(fā)生并一直保持著嚴重超限的豎向變形,由于屋脊拼接節(jié)點承載力嚴重不足,節(jié)點區(qū)域的應(yīng)力集中及各種缺陷的長期存在,使節(jié)點承載力不斷降低,在外伸端板處高強螺栓超過自身的極限承載力后失效,屋脊節(jié)點斷裂,鋼梁沿強軸方向發(fā)生彎折破壞墜落,鋼骨架輕型板隨之墜落、拉拽其余鋼梁依次破壞,進而引起鋼結(jié)構(gòu)屋面整體坍塌。
本工程屋蓋鋼梁采用實腹式 H 型鋼截面,屋脊節(jié)點連接采用端板外伸式高強螺栓連接,該節(jié)點形式大量應(yīng)用于 20 世紀九十年代末開始大量推廣的輕型門式剛架結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)連接節(jié)點受力時存在微小轉(zhuǎn)動,屬半剛性節(jié)點,要滿足剛接的計算假定,有明確的的適用條件,協(xié)會標準 CECS 102∶2002(2012 版)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》及國家標準 GB 51022-2015《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》[7]均指出,輕型房屋屋面板適合采用壓型鋼板,即控制屋面恒荷載值。2012 年修訂的協(xié)會標準及2015 年開始實施的國家標準均對輕型門式剛架結(jié)構(gòu)節(jié)點剛度做出了明確要求,目的是保證連接節(jié)點的剛度,使計算假定與實際條件相符,避免過大屋面荷載使節(jié)點變形影響結(jié)構(gòu)承載。
常用壓型鋼板屋面重量因構(gòu)造、板厚、填充物容重等而異,恒荷載標準值范圍(0.2~0.5)kN/m2,屋面活荷載標準值在主梁計算時取 0.3 kN/m2,檁條計算時取 0.5 kN/m2,恒荷載與活荷載之比約為 0.5~1.5。本工程選用的鋼骨架輕型板建筑做法按原設(shè)計統(tǒng)計重量達到了 2.4 kN/m2,為活荷載取值的 8 倍,即使按照現(xiàn)場實際稱重的統(tǒng)計值 1.4 N/m2,與活荷載的比值也達到了 4.6 倍,不再是輕鋼屋面,已經(jīng)不適合采用此節(jié)點形式,換言之,當選用這種連接形式時就為結(jié)構(gòu)安全埋下了隱患。
鋼梁起坡后,在屋面荷載、自重等豎向荷載作用下對下部支承混凝土柱產(chǎn)生水平推力,混凝土柱抵抗鋼梁的水平變形趨勢,因此應(yīng)該考慮鋼梁與下部支撐結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作??紤]屋蓋設(shè)計有時是獨立進行的,實踐中往往會簡化計算,可將邊界條件作為彈性約束,根據(jù)支承結(jié)構(gòu)的支承形式、數(shù)量、支撐點處沿坐標系三個方向的剛度確定邊界條件,這樣可以近似地看作考慮了鋼梁與下部結(jié)構(gòu)間的共同工作。這樣處理計算結(jié)果比較符合實際,計算工作量也不大。
JGJ 7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]對網(wǎng)架與下部結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作及邊界約束條件提出了明確要求,此原則也同樣適用于采用下部支承結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋。目前的結(jié)構(gòu)分析電算程序種類齊全,功能也比較豐富,也可將鋼梁與下部支承結(jié)構(gòu)作為一個整體進行計算分析。
工況三使用階段的計算結(jié)果表明,在實際荷載工況下,主鋼梁撓度為 165 mm(L/145),遠大于設(shè)計規(guī)范變形允許值 96 mm(L/250);按 GB 51008-2016《高聳與復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)檢測與鑒定標準》[9],主鋼梁以過大變形評定的安全性等級為 du 級,即危及安全,必須及時采取措施。從坍塌后鋼梁的端板變形情況判斷,屋脊拼接節(jié)點外伸端板均已發(fā)生了明顯的彎折變形。
在基于建筑物全生命周期房屋安全管理制度中,使用階段是房屋安全管理的重要一環(huán),也是時間延續(xù)最長的階段,但據(jù)調(diào)查,我國既有建筑的使用和維護現(xiàn)狀不容樂觀,普遍存在重建設(shè)輕維護的現(xiàn)象。本案例中的鋼梁發(fā)生的過大的撓度、節(jié)點異常變形是長期存在的,如果有效實施了建筑物使用安全管理制度,以上異?,F(xiàn)象完全可以早發(fā)現(xiàn)早處理,從而避免整體坍塌事故。
坍塌后的鋼結(jié)構(gòu)屋蓋已無法使用,應(yīng)重新設(shè)計更換,基于原結(jié)構(gòu)設(shè)計在體系選擇、支座約束條件等存在的問題,新設(shè)計選用實腹式 H 型鋼梁加巖棉夾芯彩鋼板屋面的方案,按混凝土實際剛度確定支座約束進行主鋼梁結(jié)構(gòu)計算,完善了支座節(jié)點構(gòu)造,屋面支撐系統(tǒng)設(shè)計時,在兩個柱開間內(nèi)設(shè)置水平支撐系統(tǒng),保證鋼梁的整體穩(wěn)定,系桿采用φ114×3.5 圓管,水平支撐采用φ20圓鋼。新屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置如圖8 所示,支座節(jié)點如圖9 所示。
圖8 新屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置(單位:mm)
圖9 支座節(jié)點(單位:mm)
鋼結(jié)構(gòu)屋蓋坍塌時墜落在二層混凝土樓面上,沖擊造成部分構(gòu)件破損。經(jīng)檢測,5~9/E~G 軸線區(qū)域混凝土板底存在不規(guī)則裂縫,部分板底混凝土破損脫落,鋼筋彎折;5~9/E 軸混凝土梁側(cè)面存在斜裂縫,裂縫寬度約為 1 mm。對破損的樓板采取置換混凝土加固法處理,新澆筑混凝土強度等級提高一級;對混凝土梁裂縫采用壓力注漿法處理,并采用粘貼鋼板法補強。
鋼結(jié)構(gòu)屋蓋墜落時拉拽混凝土柱頭,造成柱頭混凝土脫落,結(jié)合后期新屋蓋預(yù)埋的要求,對混凝土柱頭采取置換混凝土加固法處理。
本文對使用階段坍塌的某廠房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋進行了現(xiàn)場檢測和鑒定分析,對相關(guān)設(shè)計及使用安全問題進行思考,重新設(shè)計了鋼屋蓋,并對坍塌造成的構(gòu)件損傷進行了加固處理,通過分析,可得到如下結(jié)論。
1)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計既不是深奧莫測,也不是任何人都可以從事的工作。設(shè)計人員應(yīng)該具有力學概念,系統(tǒng)地進行結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)知識學習,具備獨立進行驗算的能力,不能完全依賴電算程序,選擇的計算模型必須與實際情況相符。
2)鋼骨架輕型板屋面建筑做法相比輕鋼屋面自重大,對拼接節(jié)點剛度有較高要求,鋼屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計不宜選用輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的端板拼接節(jié)點。與之對應(yīng),選擇端板拼接節(jié)點時則不宜選用鋼骨架輕型板屋面,建議選用彩鋼板屋面。
3)計算分析結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)設(shè)計人員支座約束條件選用錯誤,造成原設(shè)計圖紙鋼梁承載力(包括節(jié)點承載力)、變形均不滿足設(shè)計規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)安全度嚴重不足,是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因;屋面支撐體系設(shè)置不合理,不能為鋼梁提供穩(wěn)定的支撐作用,不符合規(guī)范要求。
4)現(xiàn)場檢測及材料試驗結(jié)果表明,現(xiàn)場實際安裝的鋼梁材料強度等級及高強螺栓的性能等級均低于設(shè)計要求,高強螺栓連接副墊片設(shè)置不合理,材料、構(gòu)配件、連接構(gòu)造等方面的質(zhì)量缺陷進一步降低了屋蓋結(jié)構(gòu)的安全度,也是造成坍塌事故的重要原因。
5)應(yīng)加強房屋使用安全管理,建立正常的檢查、維護、維修管理制度,定期對房屋進行安全評估,必要時進行結(jié)構(gòu)安全性鑒定,發(fā)現(xiàn)問題及時處理,確保房屋安全。Q