雪灾中轻型钢结构的破坏分析

汪 谋

轻型钢结构通过改进截面形式的承载效率，以较少的材料实现了较大的负荷能力。但这种优化的结构形式，超静定次数少，结构冗余度小，对自身缺陷和外界影响的敏感性强[1]，进而导致在施工和使用过程中，轻型钢结构的安全事故时有发生。2008年初发生在中国南方的雪灾使轻钢厂房经受了前所未有的考验。暴雪致使大量轻型钢结构厂房破坏甚至整体倒塌，因而有必要进一步研究轻型钢结构在大风雪下的工作性能和破坏形式。

本文结合国内外近年来暴雪导致轻型钢结构建筑破坏的事故，归纳了雪灾导致的轻型钢结构破坏的形式，分析了结构破坏的原因。最后，本文在今后此类结构设计的雪压取值、结构形式和支撑体系的选择、厂房使用过程中的检查和维护等方面作了思考。

1 雪灾中轻型钢结构的破坏形式

1.1 檩条弯扭失稳破坏

当檩条高度偏小，截面不足时，无法承受巨大的暴雪荷载，发生弯扭失稳破坏。如果一个开间檩条破坏而掉落后，钢架之间如果没有足够的连接，会使得刚架在邻跨的不均匀荷载作用下发生扭曲而破坏，承载力丧失[1]。化雪时产生的不均匀荷载对钢架有不利影响，使得阴面倒塌面积比阳面小。

1.2 刚架平面外失稳破坏

在暴雪中，巨大的雪荷载使得刚架梁在弯矩作用下，下翼缘受压屈曲，平面外失稳。如果一段梁发生破坏，会导致相邻柱承受不均匀荷载而发生平面外失稳破坏，并形成连锁效应[2]。如果能按要求布置隅承，则可能避免此类破坏形式的发生。

1.3 刚架梁平面内失稳破坏

如果刚架梁的截面过小，无法承受巨大的雪荷载，则会在弯矩作用下发生平面内的整体失稳破坏。雪荷载作用下，梁跨中上翼缘受压先屈曲(其截面较小，本身就容易成为薄弱部分，此时梁挠度最大，屋面也最容易积雪，使屋面载荷加大)。失稳破坏时梁向下弯折，而弯折更使屋面雪向弯折的中部滑动集中，形成更大的载荷，梁柱节点处弯矩瞬间大增，致使此处梁下缘也屈曲而破坏[3]。梁失稳后，给邻间檩条产生大的拉力和扭矩，致使其在多个力的作用下扭曲。

1.4 节点破坏

刚架主体节点一般都有较大的安全储备，在雪灾中发生破坏的往往是围护结构和次结构的节点(见图1)。此类节点破坏后，引起的局部破坏经常导致荷载分布不均匀，而致使厂房的其他部分连锁破坏。

1.5 次要结构破坏

轻型钢结构建筑的次结构的破坏，如雨棚、连廊等也是容易发生破坏的部位。当雨棚在雪荷载作用下，与厂房主体连接的节点破坏是很典型的设计问题所致。

1.6 支撑体系失效

单层门架结构中，支撑体系的设计非常重要，刚架结构整体稳定及平面外计算长度、轴压比等均需借助一些支撑来保证。

2 轻型钢结构破坏的原因分析

2.1 雪荷载大且分布不均

按《建筑结构荷载规范》五十年一遇的雪压，湘潭市的雪荷载设计值取0.45 kN/m2[4，5]，在实际的雪灾调查中，发现在坍塌的厂房中屋面积雪(含冰)最厚的为16 cm，最薄的为 12 cm，雪荷载约为0.6 kN/m2～0.8 kN/m2，大大超出了设计荷载值，这可能是导致大量厂房坍塌的主要原因。此外，风雪共同作用导致破坏更加严重，这种不利荷载同时发生的概率较大。

GB 50009-2001荷载规范在6.2.2条对雪荷载取值做了规定[5]。但如果设计荷载取值后由程序自动计算并组合，而在施工图纸上一些局部处理缺少标识，如女儿墙和檐口处积雪积水，特别是堆积结冻的雪水，使荷载增大、檐口及转角风荷增大等情况使屋面结构受力增大，部分构件失稳从而引起整体倒塌。

2.2 设计原因

1)为了降低工程造价而过分优化设计，把钢材强度用到极限，未考虑到材料的负偏差及企业制作、安装水平等影响。2)厂房没有设置足够柱间斜撑。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定:当建筑物宽度大于60 m时，在内柱宜适当增加柱间支撑[5]。如果在厂房的设计中未加以考虑，当雪荷载超过一定范围时，钢柱之间没有足够的平面外支撑，容易造成钢柱的平面外失稳，导致整个结构失稳倒塌。3)忽视了支撑系统的作用，厂房整体性差。常见的设计失误:a.柱间支撑只设在边柱列，对内柱(包括摇摆柱)列没有设置，造成屋面在内柱间水平支撑(桁架)缺少支座;b.用檩条代替屋面水平支撑的刚性系杆，但缺少对檩条的验算和加强构造措施，造成实际上刚性系杆的刚性不够，不能起到水平支撑桁架内竖向压杆的作用。纵向刚性系杆除在屋脊、檐口处设置外，有一些部位如天窗架柱支座处、刚架梁转折处等没有设置，导致雪灾事故中部分钢梁接头处损坏等现象(见图2)。

2.3 施工问题

1)施工单位采购的材料质量不符合要求，甚至采用低强度钢材代替高强度钢材。这使得建成的厂房结构存在严重的安全隐患，在巨大的雪荷载作用下很容易发生破坏。2)钢结构加工质量未达到要求。在钢结构加工厂，未能按照图纸加工构件。例如:构件板件厚度比设计要求薄，构件截面尺寸偏小，焊接质量差等。3)未能按设计图纸设置厂房连接构造和支撑结构。在施工过程中，一味贪图施工方便、降低成本，造成连接构造不合格;不设置必要的支撑，如隅撑、柱间支撑、屋面水平支撑等，使厂房整体工作性能差。连续檩条在施工中未按要求的长度搭接，使得檩条达不到连续檩的工作性能，这是2008年雪灾中导致连续檩条失稳的一个重要原因(见图3)。4)安装问题。未按施工规范安装构件，使结构的工作性能达不到要求。例如:柱脚不按设计设置抗剪键、高强螺栓预紧力未达要求、安装定位偏差过大等(见图4)。

2.4 使用中无维护

在厂房交付使用后，没有执行定期检查和日常维护，比如:螺栓及连接件的生锈，或者周围潮湿的环境使钢结构容易生锈，而未采取措施，久而久之钢结构构件锈蚀加剧，从而降低构件的承载力，以致影响整个结构的承载力甚至危及结构安全。

3 防止雪灾的注意事项

1)为保证轻型钢结构厂房在雪灾中良好的工作性能，应当按照规范设计结构，细致考虑结构使用期内可能遇到的各种情况，设计条件与实际情况符合，设计计算假定、简图与图纸构造一致。合理地设置支撑系统可以保证厂房整体的工作性能。2)工程建设要严格按照建设程序执行;工程设计要选用正规的设计单位，出具正式的设计图纸，并且严格按设计图纸施工。3)定期对厂房进行安全检查和维护。钢结构厂房受材料特点的限制，使用时需要按时维护、防腐处理;大雪来临之时，更应及时对建筑进行全面的健康检查。4)雪灾发生后积极进行防控和救治。大雪主要是产生竖向荷载，荷载稳定增加，没有冲击力，但持续时间相对较长;由于温度过低会产生累积;天沟冻结后还会造成荷载积聚檐口的特点，因此应当及时除雪卸载，并避免雪荷载分布不均，尤其是自身传力复杂，可靠度相对低的结构(见图5)。

4 结语

1)在今后的结构设计中，雪压取值应该考虑加大。随着气候环境的变化，在制定建筑结构荷载标准时，应考虑到“与时俱进”。2)在结构设计中，应尽量选择合理的结构形式和支撑体系。3)加强对雪灾的预警，并且迅速做出反应，尽可能及时除雪减压。4)虽然许多房屋没有出现倒塌，但仍存在不少问题。超载还会引起钢梁不可恢复性变形，造成建筑物的抗强风能力显著下降，而屋面的下挠会导致屋面排水不畅，容易漏水，修复困难。

[1] 沈祖炎，陈以一.房屋钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2007.

[2] 舒赣平，王恒华.轻型钢结构民用与工业建筑设计[M].北京:中国电力出版社，2006.

[3] 张其林.轻型门式刚架[M].济南:山东科学技术出版社，2004.

[4] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范(2006版)[S].

[5] CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

[6] 常阳.檩条在风吸力作用下的稳定计算[J].湖南大学学报(自然科学版)，2002，29(4):22-24.

[7] GB 50018-2002，冷弯薄壁型钢结构技术规范[S].

[8] 徐益华.轻型钢结构设计[M].北京:中国计划出版社，2006.