门式钢架钢结构厂房倒塌原因分析与总结

许勇

【摘要】 门式钢架钢结构厂房的倒塌主要可以分为设计与施工两方面的原因，本文对这两个方面的原因做了初步的分析与总结。

【关键词】 门式钢架；倒塌分析；设计原因；施工原因

Abstract. The collaspe reasons to the portal frame steel structure factory building can be divide to the two aspects, the design mistake and the construction mistake. In this artcle, both the two reasons are be analyzed and summarized.

1. 介绍

门式钢架钢结构厂房，由于其设计简单，施工方便快捷，工程造价低，平面布置灵活，且工厂制造构件精度高等优势，已经成为我国工业厂房的首选结构形式。但是由于设计人员的设计经验不足，以及施工队伍水平的参差不齐，再加上我国这些年的自然灾害频发，门式钢架的倒塌事故时有发生，造成了很大损失，本文就门式钢架倒塌事故的设计与施工两方面的原因做了初步的分析与总结。

2. 设计原因

2.1结构选型偏差。

门式钢架工业厂房根据跨度、高度和承受荷载的不同，柱、梁构件可采用变截面或等截面实腹式 H形钢、平面桁架、空间桁架等结构形式。相比这三种结构形式，实腹式 H 型钢相比平面桁架和空间桁架结构形式简单明了，受力性能也是最好，支撑体系也比较简单直观，所以在实际工程中采用的最多，但是同时工程造价也是这三种形式中最高的，所以很多工程为了节省造价开支，采用了构件本身侧向稳定性相对较差的平面桁架和空间桁架结构体系，但同时又没有按照规定采取相对要求较高的支撑体系，任然采用实腹式 H 型钢结构体系的支撑设置。因此很难保证桁架构件的局部强度稳定，从而导致整个结构体系的破坏倒塌。

2.2荷载与挠度的控制问题。

由于《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》规定，当采用压型钢板轻型屋面时，屋面竖向均布活荷载的标准值（按水平投影面积计算）应取每平方米 0.5 千牛，而且对受荷水平投影面积大于 60平方米的刚架构件，屋面竖向均布活荷载可取不小于每平方米 0.3千牛。荷载效应组合原则又规定，屋面均布活荷载不与雪荷载同时考虑，应取两者中的较大值。这就容易造成设计人员的荷载选择上的错误，若某些地区的50年一遇雪荷载超过了每平方米 0.3千牛，而设计人员仍按照0.3取值的话，就会给建筑的使用安全留下隐患。

关于挠度控制的问题，《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》规定，门式刚架斜梁仅支承压型钢板屋面和冷弯型钢檩条时，构件的竖向挠度限值为 1/180，有吊顶时为 1/240。因大多数轻钢房屋结构跨度较大，在一定设计荷载情况下，构件的截面大小一般都由挠度值控制，挠度值太大不仅影响建筑物的正常使用，在钢梁挠度值过度超过极限值时，会给建筑物造成严重破坏，甚至倒塌。一些钢结构设计人员在设计时，简单地认为只要构件的强度满足要求结构就不会出问题，而忽略了对构件挠度变形的控制。在许多门式钢架的倒塌事故中，都是由于构件的变形挠度过大而导致的

2.3个别构件和节点的设计偏差。

其中檩条和构件连接节点计算错误的问题比较常见。《冷弯薄壁型钢构件技术规范》（GB50018－2002）4.1.8、9 条规定： 结构构件的受拉强度应按净截面计算；受压强度应按有效截面计算；稳定性应按有效截面计算。 变形和各种稳定系数均可按毛截面计算。

设计人员往往忽略强度计算要用净断面，忽略檩条的打孔减弱。这种减弱一般可达到6%至 15%，对小截面窄翼缘的构件影响较大。一些设计人员不顾规范的要求，侥幸地认为檩条作为次结构对整个结构安全影响很小，所以采用计算强度不够的截面，一味地用牺牲结构安全性来降低造价，以致造成因檩条率先破坏而引起的结构倒塌事故。

在节点计算中，由于力学理论中的刚接与铰接运用到实际工程中时，只是一个相对的概念，实际工程无法实现完全的刚接或者完全的铰接，这就需要工程师们对实际工程节点有一个准确的判断，而往往这就是问题出现最多的地方。

随着轻型钢结构房屋在建筑工程中的大量应用，为了满足大空间的使用要求，采用轻型钢结构屋面，很多情况下采用混凝土柱和钢梁组成的框架结构，梁柱连接采用铰接形式。但一些设计人员不能正确的在计算软件中模拟这种结构体系，而是采用钢柱来代替混凝土柱子，梁柱采用刚接连接来计算。在刚架设计中钢柱与钢梁刚接连接节点处将传递弯矩，钢柱对钢梁的强度和挠度起到一定的约束补强作用，而在实际施工中由于混凝土柱和钢梁采用铰接连接，节点处不能传递弯矩，由于节点连接方式不同构件内力分配也不同，所以将计算刚架的钢柱换成混凝土柱，而钢梁的截面不变，必然将使结构本身存在安全隐患。

再就是在大跨度门式钢架梁柱节点处，如果没有有效地抗扭转措施，由于钢梁的截面腹板较高，很容易发生节点处的扭转，此时不但在施工安装过程中会出现钢梁在未加载状态下的失稳倒塌，而且计算时选取的钢架结构的计算模型将完全不能与实际相符合。

3 施工安装原因

3.1施工安装顺序

若钢结构在安装施工时，结构未形成空间稳定体系, 一遇大风等情况时钢架很容易倒塌, 因此钢结构安装必须按施工组织设计进行。先从有柱间支撑、屋面支撑的两榀刚架开始, 刚架安装完成后随即安装系杆、支撑, 使结构形成空间稳定体系。避免工程质量事故。同时安装过程中有偏差应采取措施调整, 不得强行就位, 导致结构和构件的永久塑性变形。例如钢架柱柱脚底板水平度差, 地脚锚栓不垂直, 柱子安装后不在一条直线上, 东倒西歪, 使房屋外观很难看，且后续安装无法进行。建议钢架安装时地脚锚栓在柱脚底板下增加一个调平螺帽, 先将柱脚底板调平后,最后再用无收缩砂浆二次灌浆填实。

3.2节点连接处理不当。

节点连接处的处理不当是大部分门式钢架倒塌的根本原因，其中包括了上部构件节点连接问题题，以及柱脚与基础的连接问题。

3.2.1上部构件连接缺陷主要存在于螺栓与焊接连接的处理以及端板的处理。

钢结构的施工制作过程中特别是轻型钢结构的制作，焊接变形，是影响钢结构质量的主要问题，很容易由于施工工人操作不当或焊缝形式设置不合理造成焊接节点不能满足需要，致使结构安全性存在隐患，应通过选材、下料、半成品控制及钢结构焊接等相关工序入手，发现问题应及时解决，在制作过程中控制焊接质量。

结构所用高强螺栓应做预应力、抗滑移、抗扭等试验。高强螺栓应自由穿入螺栓孔, 螺栓孔如有不重合或有偏差时, 应进行修整, 但不允许气割扩孔。安装高强螺栓时要用校正过扭矩值的扭力扳手拧紧, 其扭矩值偏差不得大于 5% , 高强螺栓连接终拧后, 其外露的丝扣不得小于2扣。

端板连接部位是门式钢架结构的重要受力位置。 由于加工要求不严, 而腹板与端板间又有夹角偏差, 多数工程两块端板不能完全对拢, 两块端板间出现缝隙,严重影响高强螺栓的受力,安装时强行用高强螺栓拉在一起仍留下缝隙,严重影响工程质量。摩擦端面之间如果存在水分、油污、灰尘、浮锈等杂物，都会降低节点的承载力。因此，连接件在安装前要用钢丝刷清除摩擦面上的浮锈，安装时必须保持摩擦面的干燥、清洁，尤其是不允许冒雨施工。