某厂房坍塌事故检查鉴定及原因分析

李进国

1 工程概况

某公司厂房为工业化养殖厂房,原设计为砖混结构承重、拱形钢结构屋面的单层厂房,厂房周围的承重及围护墙体采用混凝土构造柱和砖砌体,设有地圈梁及檐口圈梁各一道,墙体厚240 mm;厂房的长为143.40 m,宽为31.92 m,檐口标高2.34 m,建筑面积4 577.0 m2;设计墙体采用M U10机制砖与M5混合砂浆砌筑,混凝土构件的强度等级为C20。设计屋面采用拱形轻钢屋架,上弦拱高3.6 m,下弦拱高3.0 m,屋架间距 7.0 m,跨度为 31.92 m;钢架檩条采用倒梯形钢架,截面高度为0 mm～250 mm,跨度为7.0 m;钢架檩条屋面采用波形瓦。该厂房施工完工后未投入使用,2009年2月两栋厂房相继倒塌,如图1,图2所示。

2 现场检查情况

1)根据现场了解,该厂房设计未经过签字审核,施工单位为一个村镇没有施工资质的施工单位施工。两栋厂房倒塌时该地区积雪厚度约30 mm,无风。2)经现场调查:厂房倒塌均为南墙及南半榀屋面,北半部分未倒塌。a.砌体:实际结构中为机制红砖与混合砂浆砌筑,设有混凝土构造柱。北厂房南墙混凝土构造柱钢筋未锚固牢固,该处钢筋被拔出,未见钢筋缩颈拉断情况。南厂房南墙混凝土柱钢筋被拉断,该处钢筋有不同程度锈蚀。两栋厂房墙体砌筑砂浆饱满,砌体质量良好。b.屋架:屋架上弦为角钢,下弦为钢管、钢筋做腹杆的轻型钢屋架,屋架下设水平拉杆,每榀屋架中部附近设有2根单钢管支撑,间距约为2.15 m;北厂房檩条支承大部分不在屋架节点上;南厂房檩条支承在屋架节点上。c.屋面檩条采用倒梯形钢架,上弦为角钢,下弦为钢筋,屋面采用波形瓦。d.焊缝质量:现场检测钢屋架、钢檩条的腹杆与角钢、圆钢、钢管之间焊接质量较差,部分焊接为点焊。3)材料强度。a.砌体砂浆强度:根据DBJ 14-030-2004回弹法检测砌筑砂浆强度技术规程,现场对厂房的砌体砌筑混合砂浆进行随机抽查检测,每厂房各抽取6个测点,厂房砌体砌筑混合砂浆抗压强度检测结果分别为:6.19 MPa,5.48 MPa,5.23 MPa,5.29 MPa,5.48 MPa,5.35 MPa;达到设计M5的要求。b.轻型钢屋架材料强度:现场对厂房的钢屋架进行随机取样,各抽取一组钢管、角钢、圆钢分别进行材料试验,材料力学性能各项指标均合格。4)构件尺寸。经现场调查测量,厂房钢屋架上弦采用 2L36×36×3角钢,下弦1φ 48壁厚为δ=3.3 mm钢管,腹杆采用2φ 14钢筋;屋面檩条上弦采用L36×36×3角钢,下弦 1φ 14钢筋,腹杆采用1φ 12钢筋;拱形轻钢屋架两端支点间设有1φ 16拉杆钢筋,拱内沿屋架方向竖向钢管φ 30,每榀屋架中部附近钢管φ 60～φ 70不等;屋架节点间距不等,约900 mm。屋面采用波形瓦(现场对波形瓦取样1.2 m×0.73 m,称重1.55 kg,折算0.017 34 kN/m2)。混凝土柱尺寸为240×240;柱内实配纵向钢筋为4φ 10。

3 结构验算及分析

3.1 验算条件

根据GB 50011-2001建筑抗震设计规范,该厂房属于丙类建筑,抗震设防烈度为7度;根据GB 50009-2001建筑结构荷载规范,该厂房的基本风压按 0.5 kN/m2,基本雪压按0.3 kN/m2;该厂房屋面部分的活荷载取值按 0.3 kN/m2,屋面板波形瓦按0.017 34 kN/m2,檩条的恒荷载按设计 0.37 kN/个(实测0.31 kN/个);根据试验结果,钢屋架部分构件的材料强度达到GB 50017-2003钢结构设计规范的要求,验算时材料强度设计值按规范要求取值。

验算分析采用中国建筑科学研究院编制的PKPM建筑结构系列软件中的钢结构计算机辅助设计软件(STS),屋架的结构布置、构件尺寸均按原图纸和实际测量结果输入计算机分别进行验算分析。

3.2 验算分析

1)设计荷载情况下验算:验算时考虑地震作用和风压作用影响。经验算,钢屋架的上下弦及部分腹杆、单拉杆在设计荷载作用下产生的压应力比严重不满足设计承载力要求;同时该部位平面内和平面外的稳定应力比也严重不满足设计承载力下的稳定要求,因此这些部位最易产生失稳破坏。

2)实际荷载情况下验算:验算时不考虑地震作用、活荷载和风压作用影响。根据甲方反映情况:厂房倒塌时该地区无风,降雪约30 mm。换算雪荷载为0.03 kN/m2,小于设计屋面活荷载0.3 kN/m2。经验算,钢屋架的上下弦、腹杆及跨中支架在实际荷载作用下产生的应力比均满足规范要求,但钢屋架的上下弦、部分腹杆及部分跨中支架在平面内和平面外的稳定应力比不满足规范要求。这些部位最易产生失稳破坏,构件局部失稳,造成屋架内力重分布,从而导致屋架系统失稳破坏。

3)验算结果与实际情况对比分析:根据现场调查的厂房倒塌情况,屋架破坏部位均出现在屋架靠近支座附近的部位(靠近支座的单拉杆附近),与验算结果吻合,构件局部失稳,造成屋架内力重分布,从而导致屋架系统失稳破坏,屋架破坏产生拉力将纵墙拉倒。

3.3 施工质量存在的问题分析

1)现场检测钢屋架的腹杆与角钢、钢管之间焊接质量较差,部分焊接为点焊,焊接不符合规范要求,使部分构件产生焊接残余应力变形,影响构件局部稳定性,造成钢屋架整体稳定性较差。

2)屋架中部附近设有2根单钢管(钢管φ 60～φ 70不等)支撑,间距约为2.15 m,改变了屋架的受力形式,不符合设计要求。

3)钢屋架上弦采用2L36×36×3角钢,下弦1φ 48壁厚为δ=3.3 mm 钢管,腹杆采用2φ 14钢筋;屋面檩条上弦采用L36×36×3角钢,下弦1φ 14钢筋,腹杆采用1φ 12钢筋;拱形轻钢屋架下面为1φ 17钢筋的水平拉杆,拱内沿屋架方向竖向钢管直径为φ 30;以上尺寸均小于设计要求。

4)厂房部分屋架檩条支承不在节点上,不符合设计要求。

5)混凝土构造柱实际配筋为4φ 10,不符合设计4φ 12的要求;厂房南墙混凝土构造柱钢筋未锚固。以上存在的质量问题影响厂房的水平承载力,在屋架坍塌时支撑屋架的墙体(柱)易产生脆性破坏。

4 坍塌原因

通过以上现场检查和结构验算分析,钢屋架的上下弦、部分腹杆及部分跨中支架在平面内和平面外的稳定应力比不满足规范要求。这些部位最易产生失稳破坏,构件局部失稳,造成屋架内力重分布,从而导致屋架系统失稳破坏。部分构件产生焊接残余应力变形,影响构件局部稳定性,屋架部分支撑布置不符合设计要求,屋架部分构件截面尺寸小于原设计,围护墙体构造柱配筋不符合设计要求,南墙混凝土构造柱钢筋未锚固;设计和施工存在以上问题是厂房坍塌的主要原因。

5 结语

钢结构是对雪荷载较为敏感的结构,该工程未经过正规设计单位进行设计,又找了没有施工资质的单位,工程存在严重的设计和施工问题,致使厂房坍塌,造成严重的经济损失,教训是惨痛的,应给我们以警示。

[1]GB 50205-2001,钢结构工程质量验收规范[S].

[2]GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].

[3]熊 峰.钢结构失稳事故原因分析[J].宜春学院学报,2004(S1):95-96.

[4]刘 涛,肖志山.轻钢结构安装工程中注意事项[J].辽宁建材,2005(3):123-124.