某钢结构大棚雪载作用下倒塌事故分析

褚 航，褚智超

（1.扬州大学，江苏 扬州 225000；2.扬州苏油工程质量检测有限公司，江苏 扬州 225000）

0 引言

近年来，随着我国工业的飞速发展，各地工业厂房数量迅速增加。门式刚架轻型钢结构是工业厂房中常见的结构形式，因其设计周期短、自重轻、工业化程度高、施工安装快速等特点被广泛采用。市场的扩大催生了许多钢结构公司，由于无序的竞争，在建设过程中出现了不规范的设计、制造、施工等现象，并由此产生了各种缺陷，为结构在后续使用中埋下安全隐患。本文介绍一起钢结构大棚在雪载作用下的倒塌事故，根据现场破坏情况对事故现场进行调查，结合现场取样检测，建立模型计算分析，并对倒塌原因进行深入分析。

1 工程概况

某钢结构大棚位于扬州市方巷镇，该结构设计与施工均为同一钢结构公司完成，设计图纸未经过图审，施工资料不齐全。主体结构为单层单跨门式刚架结构（采用圆钢管柱、圆钢管焊接的桁架梁），屋面做法为单层彩钢屋面板+采光板，东西方向跨度为 26.6 m，南北方向每榀刚架之间柱间距为 6.0 m、柱高 6.0 m、棚顶高 6.8 m，总长度为 144 m，共计 25 榀刚架，建筑面积为 3 830 m2（144×26.6=3 830 m2）。扬州地区抗震设防烈度 7 度（0.15g），丙类设防，基本风压为 0.4 kN/m2，场地粗糙度类别 B 类，10 年一遇雪压 0.25 kN/m2，50 年一遇雪压 0.35 kN/m2，对雪荷载敏感的建筑雪压 0.40 kN/m2。事故照片如图 1 所示，桁架立面图如图2 所示，桁架构件单元划分如图3 所示。

图1 建筑事故照片

图2 钢管桁架立面图

图3 钢管桁架构件单元划分

2 事故原因调查

2.1 事故现场情况

2018 年 1 月 4 日，该钢结构大棚在积雪荷载作用下发生垮塌。通过对事故现场的调查，发现现场建筑物普遍存在的破坏形式如下：刚架柱基础预埋件拉拔破坏；柱间支撑弯曲变形；刚架柱与屋面桁架梁连接节点处受力弯拉破坏，拉条失效；钢管桁架上弦杆与柱头连接部位失效；刚架柱与桁架连接节点处受力弯拉破坏；桁架梁、檩条部分发生扭曲破坏。

2.2 检测情况

使用游标卡尺测量刚架柱及桁架系杆的直径，超声波测厚仪测量刚架柱、桁架系杆的厚度，所检刚架柱材质为镀锌圆钢管，材质规格为：柱规格为Φ168×4.0 mm；刚架梁材质为镀锌圆钢管，由上弦杆、下弦杆和腹杆组成，上弦杆规格为 Φ76×3.0 mm，下弦杆规格为 Φ60×3.0 mm，腹杆规格为 Φ48×2.0 mm，桁架梁上下弦管中心距离为 600～680 mm，屋面桁架下拉条钢筋截面规格为 Φ18 圆钢。屋面檩条采用卷边 C形檩条，截面规格为 C140 mm×50 mm×1.8 mm，屋面、柱间支撑截面规格为 L70×5 mm 角钢。根据对现场截取原材料进行：①断后伸长率；②抗拉强度；③下屈服强度；④压扁试验。试验结果表明：所检原材料的相关性能均能满足国标 Q235 钢材要求。

现场对柱顶区域进行取样检测，根据现场取样带焊缝位置为 20/A 柱顶节点杆、6/A-B 柱顶节点下弦杆件，所检原材料的相关性能正弯、背弯拉伸及弯曲不符合相关标准规定的要求。原材料断后观察，焊缝未融透，焊接高度仅为钢管壁厚的 2/3 左右（见图 4）。采用着色探伤法检测钢管连接焊缝质量，同时采用放大镜检查焊缝外观质量情况，现场桁架梁柱拼接点、未断裂的梁柱拼接点焊缝质量观感差，发现表面裂纹、表面气孔、夹渣等缺陷，焊缝根部未焊透、焊缝未连续施焊，所检焊缝外观质量不符合GB 50205－2020《钢结构工程施工质量验收标准》［1］二级焊缝要求。

图4 焊缝厚度

现场对桁架下弦圆钢拉条截取 3 根（原材料 1 根，带焊缝 2 根）进行力学性能试验，检测结果表明：原材料强度符合 GB/T 700－2006《碳素结构钢》［2］中规定的 Q275 钢材强度要求。原材料双面焊接的搭接长度 60 mm 不满足 JGJ 18－2012《钢筋焊接及验收规程》［3］中表 4.5.4 中规定的双面焊 5d（5×18=90 mm）要求。试件断在焊缝处，不符合 JGJ 18－2012《钢筋焊接及验收规程》的要求。检测数据如表 1 所示。

表1 桁架下弦圆钢拉条钢材强度检测结果

现场取样上、下弦杆带焊缝位置为 22/A-B（东下）、22/A-B（中下）22/A-B（西下）下弦杆，22/A-B（东上）、22/A-B（中上）22/A-B（西上）上弦杆，对所检原材料进行焊接、对接接头的拉伸性能、冷弯性能检验，经检验拉伸性能符合 GB 50661－2011《钢结构焊接规范》［4］标准规定的要求，冷弯性能不符合 GB 50661－2011《钢结构焊接规范》标准规定的要求。

2.3 气象调查

根据扬州市气象局提供的资料，受冷暖气流共同影响，2018 年 1 月 3 日～1 月 4 日出现暴雪天气，3 日 20 时～4 日 8 时测得雨雪量为 20.1 mm，4 日 8 时积雪深度为 9 cm。由气象局资料推算大棚倒塌前的积雪基本情况为：雪容重为 200 kg/m3，积雪深度为 9 cm，折算为屋面雪荷载为 0.18 kN/m2。

3 结构承载力验算

3.1 计算参数

根据现场的检测资料及调查资料，为了查找钢结构雪载下倒塌原因，本次部分计算参数根据 2018 年 1 月 4日实际雪载工况下进行复核，基本参数设置如下所述。

恒荷载：0.1 kN/m2，如图 5 所示；活荷载 0.18 N/m2（实际雪载，棚顶考虑雪压不均匀分布），如图 6 所示；风荷载：0.4 kN/m2，B 类粗糙度；材料自重：78 kN/m2；材料强度：Q235 钢；桁架间距：6 m；不考虑抗震；刚架自重放大系数：1.1；净截面与毛截面比值：0.67（考虑对接焊缝施工因素）；恒、活载分项系数分别为 1.3 和 1.5；考虑恒载作用下柱的轴向变形；构件尺寸见 2.2 节。

图5 恒载分布图（单位：kN·m-1）

图6 雪载分布图（单位：kN·m-1）

3.2 计算结果

根据现场实际布置情况，柱底铰接，柱顶刚接，结合 GB 50017－2017《钢结构设计标准》［5］、GB 51022－2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术标准》［6］，采用中国建筑科学研究院研发的复核软件 PKPM 进行结构承载力验算。

强度验算结果显示：钢柱在雪载作用下强度应力比为 1.87、1.96 均＞1.00（强度超限）；梁单元构件上弦杆、腹杆、下弦杆在雪载作用下强度应力比最大值为 0.52 均＜ 1.00（满足要求）。

稳定性计算显示：钢柱雪载作用下平面内稳定应力比为 2.56、2.67 均＞1.00（平面内稳定强度超限约 2.5 倍），其中柱单元①长细比超限，柱单元②长细比处于临界状态（允许长细比 200）；钢柱平面外稳定应力比为 1.35、1.45 均＞1.00（平面外稳定强度超限约 1.4 倍）；梁单元构件上弦杆、腹杆、下弦杆在雪载作用下平面内、平面外稳定强度应力比最大值为 0.88 均＜1.00（满足要求）。

桁架位移计算显示：桁架跨中最大位移为 307.9 mm＞＞106.4 mm（屋架跨中挠跨限值L/250）。

承载力计算结果如表 2 所示，位移计算结果如表 3 所示，构件单元如图 3 所示。

表2 单榀刚架承载力计算结果

表3 位移计算结果 mm

4 倒塌原因分析

由计算结果和钢结构现场倒塌情以及检测结果综合判断，结构倒塌主要分析如下。

根据结构承载力复核计算：钢柱的强度应力比、稳定强度应力比均超过雪载工况下的应力比，虽然桁架梁杆件承载能力满足要求，但是整体桁架在恒载+雪载作用下产生的计算挠度值大于允许挠度值。结构倒塌是个动态变化的过程，结构的受力情况及变形情况时刻发生着变化，根据挠度公式，如式（1）所示。

式中：W为跨中最大位移，mm，q为均布线荷载，kN/m，L为跨度，mm，E为弹性模量，N/mm2；I为截面惯性矩，mm4。

桁架梁的跨度、抗弯刚度，均为不变量，随着雪载q的逐渐增大，桁架梁跨中节点位移W也逐渐增大，桁架的变形使得梁柱刚性节点产生角位移，变形传递至梁柱刚性节点，使得节点产生角位移增加。根据承载力验算结果，钢柱的平面内稳定强度最弱（钢柱平面内稳定应力比为 2.56，大于平面外稳定应力比及强度应力比），钢柱平面内稳定应力最先达到极限，出现钢柱在平面内失稳，所以出现柱顶发生弯折破坏，从而导致整个钢结构大棚整体倒塌。

由于梁柱节点焊缝施工质量差，焊缝未焊透，导致钢柱在柱顶焊接区形成应力集中，并在柱平面内稳定应力达到极限时应力集中区最先发生破坏，破坏形式表现为柱顶弯折、柱头节点断裂、焊缝断裂等。

根据上述倒塌情况分析，总结查找出原因如下所述。

4.1 设计原因

在结构设计时未按照规程选取合适的构件截面尺寸，该钢柱截面尺寸不能满足承载力、刚度和稳定性的要求，应选择直径、壁厚合理的立柱，钢桁架选型不满足变形的要求，宜选择抗弯刚度大的三角形断面或梯形断面，同时钢桁架也要满足承载能力、稳定性的要求。

4.2 焊缝质量

该钢结构上部连接主要为焊缝连接，焊缝质量设计等级为二级焊缝。但在上部结构焊缝施工过程中存在诸多问题：对接焊缝未融透，部分焊缝未满焊，焊缝表面有裂纹、夹渣、气孔等缺陷，焊缝缺陷造成了应力集中，使构件在焊缝部分形成相对薄弱区，加剧结构、构件破坏的风险。

5 结语

本案例是由于钢结构构件选型、钢结构焊缝施工质量差造成的雪载下整体倒塌事故，表明桁架结构选型非常重要。为避免形成“强梁弱柱”，在结构设计中应注意桁架梁、柱的刚度协调；桁架结构梁的变形是结构发生破坏的主要诱因，在结构设计中应加强桁架梁变形控制的计算；焊接质量是影响桁架结构安全的重要因素，焊缝施工质量不过关，会使结构在焊缝处形成应力集中，增加结构的内应力，结构在承载时易发生脆性破坏。Q