某體育館網(wǎng)殼工程事故分析和檢測處理

摘 要：本文結(jié)合某市的體育館網(wǎng)殼施工出現(xiàn)的質(zhì)量事故，對該體育館網(wǎng)架的質(zhì)量事故產(chǎn)生的原因從設(shè)計和施工兩方面進(jìn)行了全面分析，重點對安裝誤差引起桿件內(nèi)力改變進(jìn)行了研究，并提出切實可行的靜載試驗方案和加固處理方案。

關(guān)鍵詞：空間網(wǎng)架；節(jié)點；安裝誤差；加固處理

中圖分類號：TU113.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

The Analysis of Accident and the Method of Reinforcement in

Lager-Span Grid Structure

WANG Bin

(Jiujiang UniversityJingxi Jiujiang332005，China)

Abstract:The paper accentuated the importance of the conceptual design and discussed its contents combined with the project and the notice when the calculation-software of the space grid structure applied in the project. The cause was analyzed overall in the aspects of design and construction，focusing on the analysis of the changes in the bar internal forces created by the fitting error.

Key words: space grid；joint；installation error；reinforcement

大跨空間結(jié)構(gòu)是最近幾十年來發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)形式之一。在大發(fā)展的同時，必須看到，無論是國外還是國內(nèi)，都有曾發(fā)生過許多不同類型、原因、程度的事故，造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)的損失。這些慘痛的教訓(xùn)，已引起了世人的廣泛的關(guān)注。而通過事故的分析研究，把事故分析的結(jié)果公諸于眾，作為共同的寶貴財富，開始形成了一門學(xué)科，以便正確對待已發(fā)生或可能發(fā)生的工程破壞事故［1］。本文就以某市的體育館網(wǎng)殼施工出現(xiàn)的質(zhì)量事故作為研究對象，通過靜載檢測結(jié)合理論分析對其進(jìn)行了成功的加固處理， 具體工程分析如下：

1 工程概況

該工程為柱面雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，屋面覆蓋尺寸為96m×163m，網(wǎng)殼覆蓋面積為15677m²。根據(jù)土建柱距在結(jié)構(gòu)上沿縱向設(shè)了兩道變形縫，將整個網(wǎng)殼劃分為3個區(qū)。1-8軸為C區(qū)，9-16軸為B區(qū)，17-24軸為A區(qū)。土建沿四周設(shè)立了600mm×800mm的鋼筋混凝土柱作為支點，并在M軸沿縱向又增加了一排中間立柱，使網(wǎng)殼在橫向變?yōu)橛芍鞲眱煽缃M成。主跨跨度為66.5m，副跨跨度為20.5m，在A軸外挑4m，在P軸外挑3.4m。網(wǎng)殼矢高5m，厚度3m，如圖示1-1

網(wǎng)架主要結(jié)構(gòu)參數(shù) ：節(jié)點數(shù)2669，桿件數(shù)10152，支 座 數(shù)90，荷載工況數(shù)4，荷載組合數(shù)3。該工程施工從2003年開始，原計劃3個月完成，后因種種原因至2005年8月完工。

2 事故現(xiàn)象

施工時采用分區(qū)搭設(shè)滿堂腳手架高空散裝法， 2004年5月開始施工， 7月22日安裝時發(fā)現(xiàn)1-8軸局部網(wǎng)架跨中明顯下沉，北邊支座略微升高，M軸3根上弦桿壓彎。由于滿堂腳手架未拆除，由施工方重新頂回網(wǎng)架，繼續(xù)施工，對此次異常各方未引起足夠重視，到8月6日1-8軸安裝完成，正在松千斤頂時發(fā)生千斤頂滑落，1-8軸網(wǎng)架跨中整體下沉，M軸13根上弦桿嚴(yán)重彎曲，北邊支座全部離開柱頭半米以上，如圖2-1和2-2。工程全面停工進(jìn)入處理。事故發(fā)生后施工方提出了整改方法后，由各方審核認(rèn)可，前后經(jīng)過一個月才重新施工，到2005年6月完工［2-5］。

3 檢測方法

由于施工過程發(fā)生了嚴(yán)重施工事故且施工周期過長，為保證結(jié)構(gòu)安全使用必須進(jìn)行體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜載檢測，主要包括以下內(nèi)容：

1）檢測屋面網(wǎng)架在自重情況下的撓度值；

2）根據(jù)設(shè)計單位、施工單位確定的檢測荷載值，分級施加荷載同時檢測網(wǎng)架撓度變化值。并根據(jù)網(wǎng)架撓度變化判定網(wǎng)架安全。

檢測方案經(jīng)過反復(fù)研究制定如下：

3.1 確定監(jiān)測點

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范有關(guān)網(wǎng)架撓度測量取點要求，結(jié)合該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)實際情況，并考慮支柱沉降變形等因素，共設(shè)置46個測量點。

3.2 確定檢測荷載

根據(jù)設(shè)計單位的設(shè)計說明書及國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，最初取活荷載0.5kN/m²，乘以系數(shù)1.25，檢測加載重量為0.625kN/m²。

3.3 確定加載方法

由于檢測時網(wǎng)架已經(jīng)全部完成，腳手架也已經(jīng)完全拆除，常規(guī)加靜載方式很難實施。經(jīng)過仔細(xì)分析決定采用在上弦節(jié)點球上懸掛直徑4mm航空鋼絲繩垂到地面，在地面人工綁掛砂袋到航空鋼絲繩配重?？紤]到加載分級的可行性，推算每只砂袋重量為30kg較合理，扣除懸掛鋼絲繩重量，加載砂袋數(shù)量與分級加載對應(yīng)關(guān)系如表3-1。

由于計算掛點達(dá)1000多個，為保證檢測正常實施，事先選掛三點做了懸掛加載實驗，實驗證明該方式確實可行。

3.4 確定加載步驟

根據(jù)設(shè)計圖紙及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為方便測量，從東到西網(wǎng)架劃分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)（詳見圖2.1），從東到西分區(qū)加載，即A區(qū)網(wǎng)架第1級加載完成后再加載B區(qū)網(wǎng)架第1級荷載，再加載C區(qū)網(wǎng)架第1級荷載；第2級加載又從A區(qū)網(wǎng)架開始，再到B區(qū)、C區(qū)，依此類推。每區(qū)網(wǎng)架單獨加載順序為：先加載跨度為20.5m的副跨，再加載主跨，主跨加載時從南北兩頭同時加載到中間。

4 檢測數(shù)據(jù)分析

檢測前，要求施工方提供了網(wǎng)架有關(guān)竣工資料，從資料反映關(guān)鍵的一些材料檢測報告為正規(guī)檢測機(jī)構(gòu)出具，但有些現(xiàn)場自檢的數(shù)據(jù)不完整，特別是自重下的撓度值未測。為此，只能以實際完成的變形曲線做參考值，測量發(fā)現(xiàn)8軸跨中點變形已經(jīng)達(dá)到241mm，超過設(shè)計允許最大值210mm，將C區(qū)作為重點。按檢測方案，進(jìn)行到第二級加載，即0.2kN/m²時發(fā)現(xiàn)1-8軸區(qū)在7和8軸靠近中柱的兩根下弦桿出現(xiàn)明顯彎曲，9-24軸也有桿件微彎。為保證安全，在C區(qū)第三級加載改為0.05kN/m²，A，B區(qū)按原檢測方案進(jìn)行。并選擇在上午加載，加載后一小時立即觀測。發(fā)現(xiàn)A，B區(qū)撓度值的變化符合線性，每0.1kN/m²引起11mm的變化。但C區(qū)撓度值的變化C出現(xiàn)異常，一、二級每0.1kN/m²引起11mm的變化，第三級加載改為0.05kN/m²后也引起11mm的變化，且1-8軸區(qū)在7和8軸靠近中柱的兩根下弦桿出現(xiàn)彎曲加劇，反映結(jié)構(gòu)已經(jīng)不宜再加載了，為此當(dāng)即決定卸載，并由施工單位負(fù)責(zé)整改，加固。檢測結(jié)果的數(shù)據(jù)反映網(wǎng)架三個區(qū)表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能。A、B兩區(qū)實際受力與設(shè)計結(jié)果較符合，但C區(qū)明顯結(jié)構(gòu)剛度不足，無法滿足設(shè)計要求，必須對工程進(jìn)行加強(qiáng)處理［6-7］。

5 質(zhì)量問題原因分析

5.1 原設(shè)計內(nèi)力分析

原設(shè)計網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為空間鉸接桿系結(jié)構(gòu)體系，設(shè)計選用了北京云光建筑設(shè)計咨詢開發(fā)中心開發(fā)的SFCAD（微機(jī)版），設(shè)計計算可靠，通過國家認(rèn)定。對SFCAD2002的計算書主要數(shù)據(jù)分析后確定內(nèi)力值的大小與分布規(guī)律正常。但現(xiàn)有的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)軟件優(yōu)化設(shè)計研究中，往往是針對確定性情況下的優(yōu)化設(shè)計，通常將工程實際中大量存在的不確定性因素和模糊因素忽略不計；而實際本工程中大量不確定性因素恰恰起到不可忽略的作用，導(dǎo)致一些桿件內(nèi)力變化超出設(shè)計預(yù)想。為從理論上做進(jìn)一步分析論證，筆者重新設(shè)計了一個與C區(qū)類似網(wǎng)殼，主要控制數(shù)據(jù)如下：投影面積:4567.5 m²，節(jié)點類型:螺栓球，桿件總數(shù):3000，節(jié)點總數(shù)791。特使用另一種設(shè)計軟件MST2005-Space Truss Structures CAD，分兩種受力狀態(tài)進(jìn)行計算。先按理論設(shè)計曲線計算，計算出桿件內(nèi)力圖一。再改變工況，在計算模型中D區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)殼頂點下降20CM，其余點相應(yīng)下調(diào)，其他工況不變，按新模型計算內(nèi)力圖對以上桿件內(nèi)力對比可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)殼曲線在一定范圍內(nèi)變化對其桿件內(nèi)力影響不是很大，同時計算顯示其影響有一定區(qū)域范圍，對遠(yuǎn)離偏差的桿件力基本無影響。從而更進(jìn)一步說明主要問題還是施工造成原桿件有殘余應(yīng)力為主要原因，曲線變形為次要原因。結(jié)果確定從設(shè)計概念選型，計算方法，荷載選擇，內(nèi)力分析上綜合分析，該工程設(shè)計無重大缺陷?？梢栽谠O(shè)計上將問題排除，應(yīng)該集中在施工中尋找事故原因。

5.2 施工過程分析

施工單位在施工前未上報此工程的詳細(xì)施工方案，僅僅寫了常規(guī)的網(wǎng)架施工方案，設(shè)計監(jiān)理均未仔細(xì)審查，現(xiàn)場管理機(jī)構(gòu)也不健全。2004年5月底選擇滿堂腳手架高空散裝法開始施工，6月15日完成1-3軸腳手架，6月7日開始在高空進(jìn)行網(wǎng)架拼裝， 7月22日安裝時發(fā)現(xiàn)1-8軸局部網(wǎng)架跨中明顯下沉，北邊支座略微升高，M軸3根上弦桿壓彎。由于滿堂腳手架未拆除，對此次事故各方未引起足夠重視，由施工方重新頂回網(wǎng)架，繼續(xù)施工。到8月6日1-8軸安裝完成，正在松千斤頂1-8軸網(wǎng)巾跨中整體下沉，M軸13根上弦桿嚴(yán)重彎曲，北邊支座全部離開柱頭半米以上。工程全面停工進(jìn)入處理。經(jīng)過現(xiàn)場事故調(diào)查和詢問現(xiàn)場施工人員，分析主要原因由于支撐較少，且不牢固，支座處未及時固定，使網(wǎng)架實際桿件受力與設(shè)計不符合，彎曲桿件處于內(nèi)力轉(zhuǎn)換部位，截面小，產(chǎn)生壓曲。類似事故在同一工程兩次發(fā)生， 由于1-8軸發(fā)生的施工事故，使得C區(qū)實際完成曲線與設(shè)計不符合，且部分桿件已經(jīng)有初始應(yīng)力存在。從原設(shè)計圖可分析的部分桿件受拉力或較小壓力，不應(yīng)發(fā)生壓屈。但檢測實際反映出該桿件受力狀態(tài)都發(fā)生了明顯變化［8］。

6 加固處理對策

分析原因主要為網(wǎng)殼實際成型曲線與設(shè)計有較大差異、C區(qū)由于發(fā)生了施工事故桿件有殘余應(yīng)力使得處理更加復(fù)雜。處理主要由設(shè)計進(jìn)行復(fù)算，并根據(jù)檢測結(jié)果曲線和設(shè)計經(jīng)驗重新調(diào)整設(shè)計，計算內(nèi)力找出超應(yīng)力桿件進(jìn)行更換。詳細(xì)如表4.1更換桿件共計40根，其中包括由于施工不當(dāng)在網(wǎng)架完成時已經(jīng)彎曲的桿件。考慮網(wǎng)架和施工安全，施工單位選派專業(yè)人員直接在高空逐個更換，每天更換6-7根。

7 加固處理效果

加固后再按原檢測方案重新檢測，檢測效果良好，實際變形顯著降低，符合線形變化，滿足設(shè)計要求。再對檢測數(shù)據(jù)仔細(xì)分析可以看出，在更換了40根桿件后，網(wǎng)架的受力性能得到了顯著提高，雖然局部點的累計變形值超過了規(guī)范和設(shè)計要求，但是其主要原因還是原始安裝誤差大造成的。對于每一級荷載而言，結(jié)構(gòu)的變形非常均勻，且小于設(shè)計計算出的變形值，最后卸載后結(jié)構(gòu)殘余變形也小，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)完全在彈性變形中，結(jié)構(gòu)安全是可靠的，證明加固處理是成功的。

結(jié)論：通過對工程事故原因分析，得出事故產(chǎn)生主要原因在于施工過程未按設(shè)計要求施工、支撐用滿堂腳手架搭設(shè)未進(jìn)行專項設(shè)計、無法提供可靠支撐。受力后內(nèi)力轉(zhuǎn)換處的桿件由于設(shè)計截面過小而壓屈破壞，整個結(jié)構(gòu)內(nèi)力重新分布，出現(xiàn)了設(shè)計未考慮的工況，局部結(jié)構(gòu)變形在重新頂回后也無法完全恢復(fù)，用常規(guī)驗收手段無法對其做出合格判定。同時提示設(shè)計上要充分考慮施工的水平，可能發(fā)生的問題，對內(nèi)力轉(zhuǎn)換處的桿件要適當(dāng)提高安全系數(shù)，增大設(shè)計截面，這樣在實際增加結(jié)構(gòu)用鋼量的很少的情況下就可以大大提高結(jié)構(gòu)的安全性。針對以上特殊情況，論文提出了通過靜載試驗的來判定本工程結(jié)構(gòu)安全的方法。由于工程完成后施工方過早拆除了滿堂腳手架，常規(guī)靜載試驗方案無法實施。在綜合考慮技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)方便等因素的情況下本文提出了采用在上弦節(jié)點懸掛沙袋加荷載的方法，并通過試驗證明該方法經(jīng)濟(jì)可行，給事故處理、判定提供了充分依據(jù)。也為對類似有缺陷的網(wǎng)架工程驗收提供了一種經(jīng)濟(jì)可靠的方法。

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