某门式刚架柱脚强迫移位事故的鉴定与处理

刘明宝，马 萍，张 鹏

（1.山东建筑大学，山东 济南 250101；2.山东建固特种专业工程有限公司，山东 济南 250000；3.山东建筑大学鉴定检测中心有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

某厂房门式刚架刚接柱脚在爆炸力作用下发生了强迫移位，论文介绍了事故检测鉴定情况，分析事故对结构的影响，并根据刚架受力特点提出了事故处理方案，柱脚移位处理后按实测数据进行验证分析，该处理方案取得了较好的效果。

1 工程概况及事故基本情况

某厂房采用门式刚架结构，建筑东西长 145.28 m，南北宽 121.08 m，建筑总高度 12.6 m。该建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为 7 度（0.10g），设计地震分组为第二组，建筑场地类别为 II 类，结构设计使用年限为 50 年。

该工程采用独立基础，基础沿纵向设置地基梁，混凝土设计强度等级为 C30，地基基础设计等级为丙级，地基处理采用强夯法，局部中风化岩区域爆破至基坑下 20 cm，采用级配砂石回填。该车间门式刚架为五连跨，每跨均为 24 m，柱脚刚接，刚架梁、柱均采用焊接 H 型钢，车间内每跨均设两台 10 t 电动单梁吊车，工作制级别为 A3，吊车梁采用焊接 H 型钢。主钢构材质为 Q345B，支撑及屋面檩条等次结构为 Q235B，主结构连接螺栓采用 10.9 级摩擦型连接高强度螺栓。

该厂房主体结构完工后，对厂区内高出设计标高的岩石进行爆破，爆破产生的爆炸地震及碎石对厂房局部主体造成了损坏，爆炸力造成基础移位，部分构件及连接节点损伤。

2 调查与检测鉴定

2.1 破坏情况调查

经现场调查，该厂房于 2019 年 3 月完成钢结构施工，2019 年 4 月初，该建筑物南侧（19～20 轴间）附近进行道路爆破施工，爆破点距建筑物约 20 m，爆破位置如图 1 所示，结构内景如图 2 所示。经现场查勘确定，爆炸力影响范围为 18～19 轴交 A～D 轴区域，爆炸力造成的现场破坏情况如表 1 及图 3～图 8所示。

表1 现场破坏情况汇总

图1 爆炸位置示意图

图2 结构内景

图3 地基梁开裂破坏、钢筋屈服

图4 地基梁开裂破坏

图5 混凝土柱头开裂破坏

图6 焊缝开裂

图7 支撑屈服

图8 檩条扭曲变形

2.2 变形检测

现场采用全站仪对 A 轴交 18～20 轴钢柱和 20 轴交 B～D 轴钢柱进行变形测量，测得 A 轴交 19 轴柱脚及基础向北侧移位 16 cm，钢柱垂直度为 1/66；A 轴交 20 轴柱脚及基础向北侧移位 9 cm，钢柱垂直度为 1/102。GB 50205－2001《钢结构工程施工质量验收规范》附录 E 规定，单层钢柱柱脚中心线偏移允许偏差 5 mm，钢柱垂直度允许偏差 1/1 000，以上数值均远超过规范限值。测得 20 轴交 B 轴钢柱柱脚向北移位 3 cm，钢柱最大侧向弯曲 7 cm，发生在 2.8 m 标高局部夹层处。

2.3 构件截面检测

本工程门式刚架结构均采用焊接 H 型钢制作，钢柱为等截面，钢梁采用变截面；基础采用钢筋混凝土独立基础。现场采用游标卡尺、测厚仪及钢尺对刚架截面尺寸及基础尺寸进行检测，所检构件截面尺寸能够满足设计文件要求。

2.4 节点构造检查

经核对，刚架梁柱节点、柱脚节点做法与设计相符，门式刚架梁柱连接节点构造无异常，未见明显变形、开裂等现象。

2.5 吊车梁系统检查

对吊车梁与钢柱连接节点、吊车梁间的连接节点进行检查，未见开裂变形现象。对吊车梁外观进行检查，未发现扭曲变形等异常现象。

2.6 结构计算分析

爆炸时能量释放的时间很短，判断爆炸力引起的钢柱移位属于弹性变形还是塑性变形是困难的，为确保安全，假设基础移位使钢柱发生的变形包含塑性变形和弹性变形两部分，为了给后续处理提供依据，对门式钢架结构进行缺陷状态下的承载力分析十分必要。基础移位后，刚架柱产生的强迫内力，钢柱弯曲引起的钢柱受压偏心，均对刚架承载力有不利影响，针对不同处理方式设置了两种受力工况对刚架结构进行包络分析：第一种产生基础移位处钢柱不采取措施，按现状对刚架结构进行计算分析，此时假设所有柱脚移位均为弹性变形；第二种产生基础移位处钢柱采取措施释放强迫内力，对刚架结构进行基于弯曲缺陷条件下的计算分析，此时假设柱脚移位均为塑性变形。

1）产生基础移位处钢柱不采取措施，按现状对刚架结构进行计算分析。现场检查未发现 19/（A～B）轴地梁发生破坏现象，考虑混凝土地梁的刚度较大，认为 19/A、19/B 柱基础偏移量相等，均取 19/A 轴柱基础偏移量实际检测值 16 cm。

现场检查发现 20/（A～B）轴地梁在 B 轴端发生破坏现象，结合现场，20/A 轴柱钢柱偏移量取实际检测值 9 cm，20/B 轴钢柱位移量取实际检测值 3 cm。

根据现场检测数据，对结构进行建模计算，计算过程中对钢柱柱脚按假定条件进行强迫位移，计算结果显示钢柱内强迫内力较大，钢柱应力比最大值＞3.0，强迫应力将导致 19/A、19/B、20/A、20/B 轴钢柱及钢柱基础承载力不足，门式刚架结构属于高承载力低延性结构，对额外增加的强迫内力很敏感，故应采取措施释放钢柱内强迫应力。

2）产生基础移位处钢柱采取措施释放强迫内力，对刚架结构进行基于弯曲缺陷条件下的计算分析。考虑钢柱已产生塑性变形，强迫内力释放后钢柱无法恢复原状，钢柱偏心对结构承载力会造成一定影响，故按现状偏心缺陷情况进行建模计算，偏心数值偏安全的取柱脚实际移位检测值。

①荷载条件：抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.10g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为标准设防类，钢架抗震等级为四级。

基本风压 0.45 kN/m2，地面粗糙程度类别：B 类。

基本雪压 0.35 kN/m2。

设计采用的均布活荷载标准值按原设计：活荷载标准值不上人屋面 0.3 kN/m2，檩条 0.5 kN/m2。

设计采用的吊车荷载：A 3 级电动单梁吊车，Sn=22.5 m，Gn=10 T，最大宽度：3 500 mm，大车轮距 3 000 mm，最大轮压 82 kN，最小轮压 7 kN。

②材料：刚架 Q345B；混凝土 C30。

③计算程序：中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所研发的 PKPM 结构设计软件（2010 版 V4.2）。

④计算结果：经复核，产生基础移位处钢柱采取措施释放强迫内力后，考虑钢柱偏心缺陷情况下 19/A、19/B、20/A 轴钢柱应力比最大值为 0.93＜1.0，满足规范安全性要求。

3）综合以上两种工况计算可知，保持现状时，刚架结构不能确定保证正常使用期间的安全性；无强迫内力情况下，钢柱对柱中心线的偏心按 16 cm 进行验算，刚架承载力满足规范要求，也就是说释放柱脚约束后，即使柱脚完全没有回弹，刚架结构也能满足规范安全性要求［1-3］。

2.7 鉴定结果

1）经调查及检测鉴定，爆破对建筑物的影响范围为 18～19 轴交 A～D 区域，为局部破坏。

2）爆炸力造成部分基础和柱脚移位远超规范限值，经计算分析，影响结构承载力，应采取处理措施；爆炸力造成的地基梁开裂、基础短柱柱头破坏、框架梁柱连接焊缝开裂等均对结构安全有不利影响，为消除安全隐患，应该采取整改或加固措施。

3）构件截面尺寸符合设计；刚架连接节点构造符合设计要求，刚架连接节点构造无异常，未见明显变形、开裂等现象；吊车梁构件及连接未见开裂变形等异常现象。

3 事故处理

3.1 一般性问题处理

根据现场实际情况，在保证安全的前提下，选择易于实施的措施，对一般性问题处理如下。①开裂的地基梁：破碎地基梁混凝土，重新浇筑，混凝土强度等级应提高一个标号；②柱间支撑弯曲：进行更换；③焊缝开裂：按照钢 GB 50661－2011《结构焊接规范》的要求进行返修焊接；④抗风柱弯曲：考虑更换抗风柱需拆除整个墙面系统，工作难度大，采取增加支撑的方式进行加固，提高抗风柱的整体稳定性。

3.2 钢柱、基础移位的处理

爆炸造成的破坏中，钢柱、基础移位的处理是关键问题。本工程基础未遭受破坏，应尽可能予以保留。根据初步分析，对基础、钢柱移位提出了三种处理方案：采用基础顶推平移的方法平移复位；维持现状；释放柱脚约束，重新固定。三种方案实施的前提都必须保证结构安全性。

当采用顶推平移法时，需要制作反力装置，现场室内一侧是回填土，土质松软，实施存在困难。其次平移复位至原位置时，对钢柱而言存在复位过度的问题，钢柱内会产生反向强迫内力。综合分析后，排除此处理方法。

根据计算分析，保持现状时，刚架结构不能确定保证正常使用期间的安全性；无强迫内力情况下，钢柱对柱中心线的偏心按 16 cm 进行验算，刚架承载力满足规范要求。综合分析后，决定对基础、柱脚移位采取释放柱脚约束，重新固定的处理措施。

3.2 柱脚移位处理施工工艺

根据计算假定，柱脚内存在强迫内力，释放柱脚约束后，钢柱存在回弹的可能，因此保证柱脚安全的回弹是处理的关键。根据工程现场条件，确定如下处理流程：首先柱脚设置钢牛腿支撑，牛腿支撑与基础虚接，保证刚架结构在基础短柱处理期间的竖向承载能力，同时不影响钢柱的自由回弹；然后破除短柱混凝土，切掉原有地脚锚栓在柱底板以上的部分，切除作业应逐个进行，使钢柱回弹分步完成；重新制作地脚锚栓，改为锚板式；增大截面法加固混凝土短柱，最后浇筑短柱混凝土。

3.4 柱脚移位处理情况

柱脚设置钢牛腿支撑保护（见图 9），破除短柱混凝土后，混凝土短柱对钢柱的约束变小，钢柱回弹，在回弹力作用下，地脚锚栓发生明显变形，向钢柱移位的反方向倾斜，如图 10 所示，说明爆破力造成的钢柱移位后，钢柱内部产生了较大的强迫内力。

图9 柱脚支撑

图10 柱脚锚栓倾斜

依次切断全部地脚锚栓后，钢柱完成回弹，经测量，A/19 轴钢柱回弹量为 8 cm，如图 11 所示，A/20 轴钢柱回弹量为 5.5 cm，如图 12 所示。

图11 A/19 轴钢柱回弹

图12 A/20 轴柱脚回弹

4 验证分析

爆炸发生后 A/19 轴钢柱移位 16 cm，释放柱脚约束后实测回弹值 8 cm，说明 A/19 轴钢柱在爆炸力作用下发生的塑性变形和弹性变形各为 8 cm；同理，A/20 轴钢柱发生的塑性变形和弹性变形分别为 3.5 cm、5.5 cm。

按照柱脚释放后的实测移位数据对钢架进行基于弯曲缺陷条件下的验证分析，分析爆炸发生后 A 轴刚架柱实际承载能力。以 19 轴刚架为例，考虑柱脚相对轴线偏心值 8 cm，柱脚强迫移位数值为 8 cm，其余荷载条件及材料参数同 2.6 小节 2）条。

经验算，爆炸发生后 19 轴刚架中 A/19 轴钢柱应力比最大值为 1.62＞1.0，构件承载力不能满足规范安全性要求。验证分析表明，对钢柱移位的处理是必要的。

5 结语

该厂房经处理后，已投入使用，工作状态正常，取得了良好的效果。

1）钢柱脚解除约束后，发生了较大回弹，验证了爆破力造成的变形由塑性变形及弹性变形两部分组成的假设是成立的。

2）按照实际柱脚回弹值，若保持现状，对原结构进行验证分析，发现钢柱承载力不能满足规范要求，说明按照放松柱脚约束处理的方式是必要且正确的。

3）事故的处理制约因素多，要进行多方位综合比较，才能制定安全、易于操作的处理方案。

爆炸力造成的结构构件移位影响因素较多，如爆炸能量、距离、结构体系、土质情况、施工质量等，事故处理应遵循客观、科学、严谨、细致的原则，本文提供了一种有益的探索。Q