某体育场看台钢膜结构工程质量事故分析

刘训良

1 工程概况

苏北某高校新校区体育场看台为体育场的附属工程，看台下前面是钢筋混凝土结构台阶及其下的体育功能型用房，后为钢筋混凝土顶板与立柱的外走访廊。看台上面为遮阳避雨的钢膜结构，它由钢管立柱、悬挑钢结构桁架、纵向联系与支撑桁架和其上覆盖的薄膜构成。全长约110 m，高约18.5 m;钢结构由13根钢柱和15榀桁架组成;桁架间距6.675 m，长14.216 m;钢柱中间两跨间距为13.35 m，两侧各五跨跨距均为6.675 m，柱脚与看台钢筋混凝土柱用螺栓连接;钢膜结构两端设有拉结薄膜的钢筋混凝土短柱(体育场看台外形见图1)。整个钢膜结构造型新颖，形状飘逸，成为该校区重要一景。

图1 新校区体育场看台

2 事故情况

本工程2007年7月建成，2010年初发现每当有强风时，看台膜结构上下振幅变大。特别是一次暴风雨后，因其锈蚀焊缝破坏致使一支承斜杆断裂塌落和一纵向连系桁架断裂，致使悬挑钢膜结构在强风作用下振荡进一步加大，且伴有吱吱的响声，部分钢管立柱明显向前倾斜或弯曲。显然此结构已成为危险结构，学校不得不在其四周设置警戒线，以防不测。经专家现场察看，主要质量问题有:1)多数钢结构节点的焊接锈蚀开裂，少数临近断裂，部分杆件出现锈斑;个别纵向连系桁架和斜支撑柱断落;2)钢立柱与钢筋混凝土柱顶的固定螺栓松动变形;立柱向悬挑钢结构桁架一侧弯曲倾斜;3)钢立柱根部外侧墙体开裂并渗漏水;4)整个钢结构刚度下降，承受风荷载能力不足。

3 原因分析

根据现场钢结构损坏与变形情况，在审查复核相关结构设计与施工文件资料的基础上，总结出如下事故原因。

3.1 结构设计

1)钢管主立柱截面与地脚螺栓设计不合理。主要表现有两方面，其一，该结构为大悬挑，立柱受力主要沿屋架方向的偏心力，立柱后虽有斜杆，但下节点与立柱很近，分担拉压力相当有限，所以钢结构柱宜为双轴不对称截面合理，相应的钢结构柱与其下钢筋混凝土柱顶连接的柱脚螺栓也应为不对称的，而不是现设计与柱断面一样的圆形;其二是中间三根钢管立柱间距是其他立柱间距的2倍，承受荷载与内力也较两侧立柱大得多，但这三根钢管立柱的直径与壁厚均与其他立柱一样。从结构损坏看，三根钢管立柱均已变形，其中一根向悬挑一侧弯曲变形达5 mm。2)钢管主立柱排布不均匀，⑧轴、⑩轴(即中间三根钢管立柱的跨中)桁架处没有钢管主立柱，相应的悬挑钢屋架无可靠着力点，当强风产生时，会出现较大变形，并通过屋架纵向桁架与柱间连杆影响相邻屋架和钢立柱的内力与变形，并进而导致刚性节点焊缝的开裂。⑧轴立柱左侧一联系桁架焊缝处断裂即为该立柱与其他立柱受力与变形不协调所致。3)经过结构计算书复核，钢立柱在不同荷载组合中选择的截面偏小，不能满足国家规范要求，特别是缺立柱的⑧轴、⑩轴桁架两侧的三根钢管柱，由于截面偏小较多，导致内力变形增大。4)支撑体系不完整。桁架上下弦、钢立柱间均无交叉支撑，桁架尾部钢立柱间无垂直支撑，下弦桁架间无系杆，致使屋盖系统整体性与刚度不足。

3.2 结构施工

1)结构钢柱柱脚螺栓在原设计图纸和工程施工的隐蔽验收记录中均为M32，但实测直径为M25，显然，由于施工出错，加上此螺栓群未能按承受偏心力特点作不对称设计，从而使部分螺栓因内力过大而导致松动变形，进而产生立柱向看台一侧倾斜及立柱根部外侧墙体开裂渗漏等一系列质量问题。2)检测6个钢立柱30处防锈漆厚度，29处厚度达不到国家规范要求，为焊接点与杆件锈蚀埋下隐患。3)部分钢结构节点焊缝存在漏焊、少焊、咬肉等缺陷，成为导致其后节点破坏乃至杆件脱落的主要因素。

3.3 自然条件

1)该膜结构出挑较大，位于学校空旷区，且出挑端无支撑拉结点，遇到强风作用时，结构本身变形较大;2)钢结构长期暴露在室外，容易产生锈腐蚀。此外，由于风荷载等的作用使节点焊缝开裂，而自然雨水的浸入则进一步加剧了锈蚀的发展直至出现断裂。

4 事故教训

1)悬挑较大的钢结构桁架设计要引起重视，除结构内力、强度计算外，要特别关注结构的合理布置、节点连接和支撑构造系统的计算与设计;2)施工中要认真把好质量关，特别是结构材料的性能检测、结构的防锈处理与施工、焊接与螺栓连接等的施工质量与检测;3)室外钢结构在使用过程中必须进行维护保养，特别是其相关连接的可靠性复查、定期的防锈处理等。

[1]潘 虎.钢结构质量控制的几点体会[J].江苏建材，2006(3):26-27.

[2]宋伟利.浅谈钢结构工程施工质量通病和预防措施[J].石河子科技，2006(3):35-36.

[3]李 虎.膜结构建筑评价方法研究[J].山西建筑，2010，36(21):42-43.