周博士考察拾零（七十四）一場(chǎng)暴雨引發(fā)日光溫室倒塌的成因分析

2017年6月21日一場(chǎng)暴雨如約來(lái)到了北京，從21日中午一直持續(xù)到24日凌晨，降雨持續(xù)66 h，全市累計(jì)平均降雨量達(dá)到92 mm，達(dá)到暴雨級(jí)別，其中懷柔區(qū)的降雨量最大，達(dá)到199.7 mm。雨后，北京市氣象臺(tái)將此次暴雨過(guò)程命名為“6·22暴雨”。

暴雨不僅給人們的生活和出行造成了困難，也給北京市的設(shè)施農(nóng)業(yè)帶來(lái)了不小的損失。就在22日下午四五點(diǎn)鐘，位于北京市海淀區(qū)某園區(qū)內(nèi)一棟日光溫室的前后屋面在噼噼啪啪的前奏聲中轟然倒塌。筆者聽(tīng)到這個(gè)消息后，第一時(shí)間約了北京臥龍農(nóng)林科技有限公司總經(jīng)理李曉明先生，于6月24日利用周六的休息時(shí)間一同親赴園區(qū)對(duì)溫室倒塌現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了勘察，現(xiàn)就溫室倒塌的原因進(jìn)行剖析。

溫室基本情況

溫室建造于2005年，跨度7.5 m，脊高3.5 m，后屋面投影寬度（室內(nèi)投影）0.84 m，后墻高（室內(nèi)）2.5 m，后墻檐高（室外）3.0 m，溫室長(zhǎng)度50 m。溫室內(nèi)外景及結(jié)構(gòu)如圖1所示。

溫室后墻采用雙層黏土紅機(jī)磚磚墻內(nèi)夾

100 mm厚聚苯板的做法，其中內(nèi)側(cè)墻體厚120 mm，外側(cè)墻體厚240 mm。為加強(qiáng)溫室保溫，園區(qū)內(nèi)一些溫室還在后墻外側(cè)粘貼了200 mm厚發(fā)泡水泥保溫層。

溫室后屋面做法由內(nèi)到外依次為：油

氈+100 mm厚聚苯板+陶粒層+20 mm厚水泥砂漿找平抹面層+油氈防水，其中陶粒層既是溫室后屋面的保溫層也是溫室后屋面三角區(qū)的填充層，厚度0～400 mm不等，從溫室后墻室內(nèi)高度到室外屋檐與溫室后屋面形成的三角形區(qū)域全部用陶粒填充，填充部位的屋面為平屋面，與溫室后墻檐口齊平。

溫室屋面骨架采用裝配式鍍鋅鋼管結(jié)構(gòu)，按照單管、雙管間隔布置的方式設(shè)置，骨架兩端分別焊接到溫室后墻和前墻基礎(chǔ)的圈梁上，其他部位則全部采用卡具連接，結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)組裝。溫室除了配置標(biāo)配的屋脊通風(fēng)口和室外保溫被及卷簾機(jī)外，還配套了室外遮陽(yáng)網(wǎng)和室內(nèi)人工補(bǔ)光系統(tǒng)。該溫室建造當(dāng)時(shí)在北京市算得上是建造規(guī)格高、設(shè)備配置全、溫室性能很好的溫室。

溫室倒塌現(xiàn)場(chǎng)情況

雨后溫室屋面（包括前屋面和后屋面）出現(xiàn)整體倒塌（圖2、圖3），但山墻和后墻保持完好，說(shuō)明溫室的墻體結(jié)構(gòu)是牢固的，屋面整體坍塌是由于溫室骨架的失效而引起的。

從溫室前屋面的倒塌情況看，溫室骨架發(fā)生了局部斷裂（圖2c），并由局部承力失效引起骨架整體折斷，進(jìn)而波及到溫室后屋面坍塌，最終造成溫室屋面整體倒塌。

從溫室后屋面的倒塌情況看，大部分區(qū)域發(fā)生斷崖式坍塌，完全脫離溫室后墻（圖3a），只有在靠近溫室門斗位置的局部區(qū)域屋面沒(méi)有完全脫離后墻，但也都出現(xiàn)完全斷裂（圖3c）。這是因?yàn)闇厥液笪菝鏄?gòu)造層除了最外部的油氈防水層與溫室后墻有連接之外，其他部位與溫室后墻基本沒(méi)有連接。從后屋面完全倒塌的區(qū)域看，溫室骨架在后墻處的連接并沒(méi)有發(fā)生斷裂，說(shuō)明這個(gè)局部節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)度破壞的程度，只是由于前屋面和后屋面倒塌，使之發(fā)生了折彎（圖3b）。

從現(xiàn)場(chǎng)倒塌情況看，溫室的前屋面和后屋面已經(jīng)完全失效，同時(shí)也失去了修復(fù)的價(jià)值，但溫室的山墻和后墻基本完好。溫室可以在保留墻體的基礎(chǔ)上更新溫室骨架，重新設(shè)計(jì)和建造后屋面來(lái)恢復(fù)溫室的使用功能。

溫室倒塌原因分析

分析溫室倒塌的成因不外乎從結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生時(shí)的破壞荷載和結(jié)構(gòu)承力薄弱點(diǎn)2個(gè)方面入手，其中包括現(xiàn)場(chǎng)能看到的顯性直觀現(xiàn)象，也包括現(xiàn)場(chǎng)看不到的隱性問(wèn)題。以下從顯性和隱性2個(gè)方面進(jìn)行溫室倒塌成因分析。

溫室前屋面骨架連接點(diǎn)斷裂是事故的直觀成因

從溫室倒塌的直觀成因看，是桁架的上弦桿發(fā)生了局部斷裂（圖2c），這個(gè)斷裂點(diǎn)正好是在2根鋼管的連接處。受單根鋼管定尺長(zhǎng)度的限制（一般定尺為6 m），溫室屋面桁架中的弦桿，不論上弦桿還是下弦桿，一根定尺鋼管都無(wú)法滿足桁架總長(zhǎng)的要求，所以，桁架弦桿必須采用2根鋼管連接的方法來(lái)完成。對(duì)于組裝式鋼管結(jié)構(gòu)，由于2根鋼管之間的連接不采用焊接連接的方式（避免鍍鋅層破壞，也是由于鋼管壁厚較薄，對(duì)焊難以滿足焊接質(zhì)量要求），而是采用2根鋼管對(duì)接后內(nèi)插或外套套管的方式連接。內(nèi)插套管由于套管的直徑較受力主管的小，而且套管與主管以及連接的2根主管之間可能還存在間隙，進(jìn)一步減小了節(jié)點(diǎn)處骨架的截面尺寸，使該連接點(diǎn)最終成為了承力的薄弱點(diǎn)。從實(shí)際破壞的情況看（圖2c），桁架上弦桿采用了內(nèi)插管的連接方式（主要是考慮屋面覆蓋塑料薄膜時(shí)在骨架不出現(xiàn)局部凸起影響塑料薄膜的安裝和使用壽命），破壞正好發(fā)生在這一點(diǎn)，內(nèi)插管完全斷裂，而下弦桿采用了外套管的連接方式，連接點(diǎn)處沒(méi)有發(fā)生任何破壞，下弦桿的破壞點(diǎn)則轉(zhuǎn)移到了主管，說(shuō)明外套管的連接強(qiáng)度要高于主管。今后的工程設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用內(nèi)套管的做法，在可能的情況下應(yīng)優(yōu)先選擇外接套管的連接方式。

事實(shí)上，該溫室倒塌早有預(yù)兆，2年前，桁架上下弦桿連接節(jié)點(diǎn)處就已經(jīng)出現(xiàn)了變形（圖4）。如果發(fā)現(xiàn)后及早支撐立柱、加強(qiáng)或更換桁架，這場(chǎng)事故也可能能夠避免。

從現(xiàn)場(chǎng)溫室倒塌的情況看，溫室骨架在后墻和基礎(chǔ)處的連接還是可靠的。但從同類溫室的使用情況看，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)也同樣存在很大的安全隱患。鋼管根部與鋼筋混凝土接觸或連接部位鍍鋅層受到嚴(yán)重腐蝕，鋼管銹蝕嚴(yán)重（圖5）。由于桁架用鋼管多為薄壁管，這種銹蝕可能直接造成骨架在墻體或基礎(chǔ)連接部位的斷裂。建議及早采取預(yù)防措施，或采用立柱支撐骨架，或附加連接件[1]，消除銹蝕可能造成的安全隱患。

溫室后屋面滲水是溫室倒塌的潛在誘因

倒塌溫室采用了傾斜保溫板加松散陶粒填充后屋面三角區(qū)的做法。從提高溫室后屋面的保溫性能看，這種做法肯定具有良好的保溫性能。但從倒塌溫室的實(shí)際運(yùn)行效果看，由于沒(méi)有定期對(duì)屋面防水油氈進(jìn)行維修，導(dǎo)致水分從油氈裂隙滲入，致使松散陶粒保溫材料吸水后自重加重，隨著使用時(shí)間的增加，在自重作用下出現(xiàn)局部沉降，使原來(lái)的平屋面出現(xiàn)局部凹陷，這種局部凹陷一方面影響屋面排水，使降雨后的屋面處于長(zhǎng)期雨水浸泡中（圖6a），增加溫室屋面荷載；另一方面屋面變形可能會(huì)拉斷防水油氈，造成油氈防水失效，使屋面積水進(jìn)一步滲透到屋面保溫層中，不僅加大溫室屋面荷載，而且也使溫室后屋面的保溫能力嚴(yán)重下降。實(shí)際運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)，由于后屋面內(nèi)側(cè)保溫板不是插入溫室墻體，而是直接對(duì)接到溫室墻面，由于保溫板與后墻的密封不嚴(yán)，從保溫板邊沿的水汽滲透已經(jīng)造成了內(nèi)部松散保溫材料吸濕。吸濕后的松散保溫材料由于體積較大，由此而產(chǎn)生的附加荷載會(huì)給溫室骨架增加很大的荷載。由于進(jìn)入溫室屋面松散材料的濕氣在屋面雙側(cè)防水層的保護(hù)下很難從內(nèi)部蒸發(fā)，所以這種荷載將是長(zhǎng)期的，這種荷載或許對(duì)溫室結(jié)構(gòu)的倒塌有一定貢獻(xiàn)。

從日光溫室后屋面發(fā)展的潮流看，用陶粒等松散材料填充后屋面三角區(qū)的做法越來(lái)越少，取而代之的是采用坡屋面（圖6b），將單層聚苯板保溫材料直接從溫室后墻的屋檐高度傾斜安裝到溫室屋脊。這種做法不僅取消了溫室后屋面三角區(qū)的填充材料，節(jié)省了造價(jià)，也減輕了溫室骨架的荷載，而且完全消除了平屋頂?shù)姆e水問(wèn)題。需要指出的是，這種做法在具體設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)在后墻檐口做挑檐，并在挑檐檐口下做滴水槽，以避免屋面排水淋濕溫室后墻。挑檐的做法可以是鋼筋混凝土板，也可以是磚挑檐，視具體條件而定。

溫室保溫被擋水是溫室倒塌的直接誘因

從溫室前屋面破壞的位置看，一是在桁架上下弦桿連接的節(jié)點(diǎn)位置（圖2c）；二是在屋面保溫被所在的位置（圖2a、圖3a）。在桁架弦桿連接點(diǎn)破壞的原因前面已經(jīng)進(jìn)行了分析。溫室骨架在保溫被所在的位置斷裂似乎是一種巧合，但其實(shí)也是一種必然。為提高保溫被的保溫性能，避免水汽滲透進(jìn)入保溫芯影響保溫被的保溫性能，所有的保溫被都做了防水面層（盡管目前大量使用的針刺氈保溫被的表面防水層的防水質(zhì)量較差），倒塌溫室更是采用了一種電纜皮防水面層，幾乎完全杜絕了雨水向保溫芯的滲漏。大多數(shù)日光溫室保溫被夏季都不拆卸，而是卷起放置在溫室屋脊位置。從倒塌溫室保溫被放置位置看（圖2b），保溫被剛好處于屋面第一道縱向系桿的位置，這個(gè)位置正好是溫室屋脊通風(fēng)口的下沿位置（圖4b）。將保溫被放置在這個(gè)位置，或許是管理者為了避免下雨期間室外雨水通過(guò)屋脊通風(fēng)口流落進(jìn)溫室，將保溫被放置在屋脊通風(fēng)口以下，可用保溫被完全覆蓋屋脊通風(fēng)口，從而徹底避免了雨水通過(guò)屋脊通風(fēng)口進(jìn)入溫室。

但卷起的保溫被同時(shí)又是一道“擋水梁”，從溫室屋脊到保溫被被卷中心覆蓋區(qū)域的降雨被全部匯集在保溫被卷與溫室屋面形成的凹槽內(nèi)，只有在形成一定水位后才能夠通過(guò)保溫被的兩端排除。由于日光溫室較長(zhǎng)，當(dāng)形成足夠的排水水位時(shí)，在保溫被卷的背部已經(jīng)積聚了大量的雨水，這種推斷可以從圖7雨后保溫被的積水情況得到印證。

由圖7a可以看出，即使保溫被下卷到接近溫室前沿，在保溫被被卷與溫室屋面形成的凹槽中仍然積聚有一定水位的雨水。圖7b是雨過(guò)天晴后展開(kāi)保溫被時(shí)保溫被端部排水的情況，事實(shí)上，在保溫被沒(méi)有展開(kāi)時(shí)，這些排水全部都積聚在保溫被與溫室屋面形成的凹槽中。雨后卷放保溫被還有這么多積水，在暴雨期間，相信這一積水不會(huì)太少。恰恰這個(gè)積水荷載又作用在了溫室骨架鋼管連接最薄弱的部位，由此可以推斷，超限荷載作用在了溫室結(jié)構(gòu)最薄弱的位置，兩者的結(jié)合應(yīng)該是造成這次溫室倒塌事件的主要原因。

倒塌事故帶給人們的警示

一次事故的發(fā)生可能是偶然的，但總結(jié)造成事故的成因卻可能避免更多事故的發(fā)生。此次溫室倒塌事件中也給了人們一些重要的啟示：一是下雨期間日光溫室保溫被應(yīng)盡量放置在靠近溫室屋脊位置，以最大限度減少溫室屋面和保溫被之間區(qū)域的匯水面積或者將保溫被展開(kāi)到溫室前屋面底部，使之完全覆蓋溫室屋面，消除保溫被對(duì)屋面雨水的阻攔，或者到了夏季將溫室保溫被拆除后放置在門斗或脫離溫室的安全地方；二是在溫室設(shè)計(jì)荷載中應(yīng)充分考慮降雨可能產(chǎn)生的附加荷載，尤其要考慮由于日光溫室保溫被的阻水作用形成的積雨荷載，該荷載應(yīng)與暴雨強(qiáng)度、卷簾機(jī)單側(cè)保溫被長(zhǎng)度（排水距離）、保溫被阻水的匯水面積（保溫被的放置位置）、保溫被自身的透水能力（透水保溫被可排出一定量的積水，但會(huì)直接影響保溫被的保溫性能）、保溫被的厚度（影響被卷的直徑）等因素有關(guān)；三是鋼管對(duì)接連接時(shí)應(yīng)慎重采用內(nèi)插套管的連接方式，尤其要避免內(nèi)插套管與主管之間出現(xiàn)很大間隙或者兩根對(duì)接主管之間對(duì)接不嚴(yán)的問(wèn)題；四是在溫室的日常管理中要對(duì)發(fā)現(xiàn)的安全隱患及時(shí)處理，避免小問(wèn)題演化為大問(wèn)題，或者甚至完全無(wú)可挽回的災(zāi)難。

參考文獻(xiàn)

[1]周長(zhǎng)吉.周博士考察拾零（四十七）日光溫室鋼管骨架在混凝土基礎(chǔ)連接處的銹蝕問(wèn)題不可忽視[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)（溫室園藝），2015，35（22）：26～27.

[引用信息]周長(zhǎng)吉.周博士考察拾零（七十四）一場(chǎng)暴雨引發(fā)日光溫室倒塌的成因分析[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2017，37（31）：50-54.