拱形波紋鋼屋蓋坍塌事故淺析

■黃 曦 ■廈門華旸建筑工程設(shè)計(jì)有限公司，福建 廈門 361012

1 概述

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是從上世紀(jì)九十年代從國(guó)外引進(jìn)的，由于這種結(jié)構(gòu)自重小、造價(jià)低、施工期短、造型美觀，在國(guó)內(nèi)已得到大規(guī)模的應(yīng)用?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)每年新增這種結(jié)構(gòu)的面積達(dá)幾百萬(wàn)平方米，主要應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)、廠房、鐵路罩棚、機(jī)庫(kù)等。

由于對(duì)該結(jié)構(gòu)自身的特性認(rèn)識(shí)不足，也缺乏相應(yīng)的工程管理經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致自上世紀(jì)九十年代后期，我國(guó)有幾十個(gè)大跨拱形波紋鋼屋蓋相繼發(fā)生坍塌事故。這引起有關(guān)人員的重視并對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，于2004 年發(fā)布了中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。該規(guī)程對(duì)這種結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，使這種結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用得以改善。

本文就該結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)的部分坍塌事故從設(shè)計(jì)、施工、管理等方面對(duì)其坍塌原因進(jìn)行剖析，以避免出現(xiàn)類似的工程事故，加深對(duì)該結(jié)構(gòu)的了解。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是用彩色鍍鋅鋼帶現(xiàn)場(chǎng)滾壓成型的冷彎薄壁型空間鋼結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是用專門的成型機(jī)組將涂覆有機(jī)涂料的彩色鋼帶壓制成具有折皺波紋的弧形鋼槽板，然后將一般不少于3 塊(單塊的抗扭剛度偏小)成型的單塊槽板咬合在一起成一組，再成組吊裝到屋頂就位，各組在屋頂上通過(guò)咬邊機(jī)咬合成一個(gè)整體，拱腳一般采用自攻螺釘固定在下部結(jié)構(gòu)鋼梁或混凝土梁上。

結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究，這種結(jié)構(gòu)主要有以下特點(diǎn):

⑴目前國(guó)內(nèi)該類結(jié)構(gòu)所用鋼板厚度主要為0.6mm～1.6mm，鋼板很薄，結(jié)構(gòu)的剛度較低，穩(wěn)定問(wèn)題是這類結(jié)構(gòu)的控制問(wèn)題;⑵橫向波紋對(duì)壓型拱板結(jié)構(gòu)的受力影響很大，計(jì)算分析中要考慮波紋對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響;⑶隨著屋面跨度的增加，結(jié)構(gòu)的承載力下降很快，這即是現(xiàn)行規(guī)程中對(duì)這種結(jié)構(gòu)的跨度進(jìn)行限制的主要原因。目前國(guó)內(nèi)發(fā)生事故的結(jié)構(gòu)跨度也基本上大于20m，很好地說(shuō)明了跨度是影響結(jié)構(gòu)承載力的重要因素之一;⑷由于結(jié)構(gòu)的壁很薄，故各種質(zhì)量缺陷和集中荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能影響較大。

3 事故剖析

從上世紀(jì)九十年代初起，國(guó)內(nèi)企業(yè)引入拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)，由于對(duì)這種結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不足，陸續(xù)發(fā)生了許多坍塌事故。這些事故的主要原因可歸結(jié)為三個(gè)方面:設(shè)計(jì)理論模糊、施工質(zhì)量缺陷、工程管理混亂。以下結(jié)合部分工程實(shí)例進(jìn)行剖析。

3.1 設(shè)計(jì)理論

事故一:

東部某地區(qū)突降暴風(fēng)雪，據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料，此次降雪平均雪壓達(dá)到0.512kN/m2，并伴有5～6 級(jí)西北風(fēng)。當(dāng)?shù)夭糠执罂绻靶尾y鋼屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約400 萬(wàn)元。此次坍塌的建筑包括游泳館、訓(xùn)練館和庫(kù)房共6 棟單層房屋。這些結(jié)構(gòu)跨度為22m～36m，矢高6m～7.35m，均采用某鋼產(chǎn)1.0mm～1.3mm 冷軋彩色鋼板，彩板成型為梯形截面，板寬610mm。

事故二:

東北某地區(qū)連續(xù)下了幾場(chǎng)大雪，據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料，該地區(qū)累計(jì)降雪量達(dá)72.5mm，為幾十年來(lái)所罕見(jiàn)，最大風(fēng)速為14.7m/s。共造成15 處拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，直接經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)超千萬(wàn)元。其中某農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)營(yíng)業(yè)大廳北跨塌落，南跨未塌但已有變形。該營(yíng)業(yè)大廳的屋頂采用雙拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，面積約4000m2，跨度為25m，采用某鋼產(chǎn)1.2mm 冷軋彩色鋼板，彩板成型為梯形截面，板寬610mm。

造成以上兩起大面積屋蓋坍塌事故的原因是多方面的，但最主要的原因是設(shè)計(jì)理論模糊，設(shè)計(jì)方法有缺陷，對(duì)這種結(jié)構(gòu)的特性認(rèn)識(shí)不足。由于在當(dāng)時(shí)這是種剛引進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式，國(guó)內(nèi)對(duì)其有關(guān)性能的研究未能及時(shí)跟進(jìn)，一般均采用從國(guó)外引進(jìn)的軟件，結(jié)合國(guó)內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。這就導(dǎo)致了以下結(jié)果:

⑴從國(guó)外的計(jì)算機(jī)軟件說(shuō)明書可以看出，國(guó)外這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用的是平面拱理論。將這種空間薄壁結(jié)構(gòu)按平面問(wèn)題考慮，與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn);⑵對(duì)于結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定問(wèn)題，有的軟件不予考慮，有的軟件僅在結(jié)構(gòu)截面計(jì)算時(shí)通過(guò)有效寬度予以考慮。但這種結(jié)構(gòu)的腹板寬厚比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我國(guó)規(guī)范要求，使得有效寬度的取值沒(méi)有了依據(jù);⑶彩板中大量波紋的存在對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響不容忽略，但按平面拱理論進(jìn)行計(jì)算無(wú)法考慮其影響。

上述事故發(fā)生后，某大學(xué)的有關(guān)專家還前往事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，得出結(jié)構(gòu)承載力不足是導(dǎo)致事故的根本原因，進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題。

3.2 施工質(zhì)量

上述兩起事故中均對(duì)屋面拱板的施工質(zhì)量進(jìn)行了檢查，其中事故一中發(fā)現(xiàn)拱板的屋面咬合連接處在坍塌后出現(xiàn)撕開脫落現(xiàn)象。事故二中營(yíng)業(yè)廳除發(fā)現(xiàn)拱板咬合連接處撕開脫落外，還發(fā)現(xiàn)咬合鋼板很不平滑，許多地方呈折皺狀，局部翹曲;另外，用于拱腳連接用的螺釘?shù)腻^接質(zhì)量較差，螺釘大多銹蝕嚴(yán)重且錨固安裝不牢，有的剪斷的螺釘截面處已出現(xiàn)銹蝕，現(xiàn)場(chǎng)撥出的螺釘沒(méi)有新鮮刻痕。

這些施工質(zhì)量問(wèn)題致使結(jié)構(gòu)不能很好地形成一個(gè)空間整體，導(dǎo)致超載部位因相鄰板帶不能協(xié)同工作而發(fā)生扭曲，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，再加上這種結(jié)構(gòu)的受力性能對(duì)質(zhì)量缺陷很敏感，故這些質(zhì)量缺陷也是導(dǎo)致這些事故的主要原因之一。

3.3 工程管理

某礦業(yè)精粉庫(kù)房為單層單跨磚砌體結(jié)構(gòu)，屋面采用拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，該庫(kù)房長(zhǎng)跨為39m，短跨為32m，墻高8m，在墻體中部和頂部設(shè)有鋼筋混凝土圈梁，在窗間墻中部設(shè)有構(gòu)造柱，建筑面積約1245m2。該屋蓋跨度為32m(沿庫(kù)房短跨)，采用1.3mm 冷軋彩色鋼板，拱板寬600mm。在進(jìn)行屋蓋的安裝施工時(shí)，東、西外墻突然發(fā)生倒塌，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)東、西外墻均向東傾倒，除靠近兩端山墻處尚有少量墻體未倒塌外，其余大部分墻體已倒塌至下層窗洞口底部。墻體倒塌時(shí)拱形彩板已由南向北安裝施工了一部分，且在靠近南山墻處堆積有三層彩鋼板。

依據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 3-88)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 10-89)、建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)(第二版)和相關(guān)資料對(duì)該倉(cāng)庫(kù)倒塌東、西外墻的承載能力進(jìn)行了驗(yàn)算。

驗(yàn)算時(shí)計(jì)算單元取窗中至窗中的窗間墻，計(jì)算截面選取下層窗洞口底部。計(jì)算結(jié)果表明:該截面處墻體抗彎承載力為44.7kN/m，拱形波紋彩板產(chǎn)生的作用彎矩值為124.7kN/m，該截面處墻體抗彎承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于作用彎矩值。

這起事故從技術(shù)上分析看似很簡(jiǎn)單，但經(jīng)綜合調(diào)查分析得出的事故原因卻發(fā)人深省:

⑴內(nèi)在(根本)原因

①帶構(gòu)造柱砌體墻承受有水平推力的拱結(jié)構(gòu)屋蓋，結(jié)構(gòu)體系選擇不當(dāng)，砌體結(jié)構(gòu)難以承受水平推力;

⑵直接原因

①拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)施工沒(méi)有施工技術(shù)方案，且沒(méi)有采取有效的施工保障措施;

②屋蓋安裝時(shí)，拱板疊層堆放，局部水平推力增大，造成墻體倒塌。

從以上原因分析不難得出，這起事故的原因除對(duì)拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)特性認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)選型失誤外，更主要的原因乃是工程管理的混亂。

4 結(jié)論

⑴造成這種屋蓋坍塌事故的原因是多方面的，但最主要的原因是設(shè)計(jì)理論模糊，設(shè)計(jì)方法有缺陷，對(duì)這種結(jié)構(gòu)的特性認(rèn)識(shí)不足。也就是存在著結(jié)構(gòu)體系方面的問(wèn)題;

⑵由于該類結(jié)構(gòu)所用鋼板厚度主要為0.6mm～1.6mm，鋼板很薄，結(jié)構(gòu)的剛度較低，穩(wěn)定問(wèn)題是這類結(jié)構(gòu)的控制問(wèn)題;各種質(zhì)量缺陷和集中荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能影響較大;橫向波紋對(duì)壓型拱板結(jié)構(gòu)的受力影響很大，計(jì)算分析中要考慮波紋對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響;

⑶隨著屋面跨度的增加，結(jié)構(gòu)的承載力下降很快，目前國(guó)內(nèi)發(fā)生事故的結(jié)構(gòu)跨度也基本上大于20m;

⑷構(gòu)件之間的連接承載力弱，連接破壞包括拱板咬合連接處撕開脫落外，咬合鋼板很不平滑，呈折皺狀，局部翹曲;另外，用于拱腳連接用的螺釘?shù)腻^接質(zhì)量較差，安裝不牢，坍塌事故多伴有錨固螺栓被剪斷的現(xiàn)象;

⑸螺釘大多銹蝕嚴(yán)重，有的剪斷的螺釘截面處已出現(xiàn)銹蝕，現(xiàn)場(chǎng)撥出的螺釘沒(méi)有新鮮刻痕;表明螺釘?shù)哪途眯源嬖趩?wèn)題，同時(shí)說(shuō)明耐久性的極限狀態(tài)不應(yīng)與承載能力極限狀態(tài)混淆。

⑹這種屋蓋具有較大的水平推力，其下部支承結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有抵抗該類作用的能力，本例表明，結(jié)構(gòu)形式之間應(yīng)該有相應(yīng)的匹配性，這種性能屬于結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布置的評(píng)定范疇。

⑺在雪中坍塌，表明這種結(jié)構(gòu)形式屋蓋自身的穩(wěn)定性存在問(wèn)題，穩(wěn)定性問(wèn)題應(yīng)該屬于結(jié)構(gòu)體系評(píng)定的范疇。

⑻規(guī)范中該屋蓋結(jié)構(gòu)的恒載分項(xiàng)系數(shù)小(1.2)，屋面活荷載取值低，也是造成坍塌事故的原因之一。

［1］中華人民共和國(guó)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).《拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS167∶2004)［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］張福海等，銀河金屬拱型波紋屋頂?shù)撵o力穩(wěn)定承載力試驗(yàn)研究［J］，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997(6).

［3］魏秀軍等，大跨度壓型鋼板拱殼屋頂?shù)顾鹿史治觯跩］，建筑管理現(xiàn)代化，2000(2).