冰雪災(zāi)害下某排架結(jié)構(gòu)鋼屋面受損案例分析

倪 源

(常州市金壇區(qū)建設(shè)工程管理中心，江蘇 常州 213200)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)屋面由于具備適用范圍廣、綜合經(jīng)濟(jì)效益好、施工周期短、抗震性能好、綠色節(jié)能環(huán)保等優(yōu)越性而被廣泛運(yùn)用。但由于極端風(fēng)雪天氣發(fā)生的概率越來(lái)越大，對(duì)我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)造成了不同程度的破壞，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)受損甚至造成人員傷亡，無(wú)疑給中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)的研究學(xué)者敲響了警鐘[1]。為了加強(qiáng)輕鋼結(jié)構(gòu)在極端風(fēng)雪天氣下的承載能力，減少因?yàn)轱L(fēng)雪天氣造成的損失，2001年路軍等人強(qiáng)調(diào)了堆雪效應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)屋面女兒墻產(chǎn)生一系列的安全隱患，2005年費(fèi)立連等人通過(guò)對(duì)一輕鋼結(jié)構(gòu)實(shí)例進(jìn)行分析得出缺乏必要的屋面支撐將會(huì)影響鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，2009年張?zhí)旆宓热搜芯堪l(fā)現(xiàn)一系列的設(shè)計(jì)失誤將導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)房屋在雪荷載達(dá)到69%的作用下倒塌，2011年李文嶺結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的破壞實(shí)例分別從設(shè)計(jì)、施工、使用方面分析了鋼屋面破壞的機(jī)理。本文通過(guò)處理一起冰雪災(zāi)害下某排架結(jié)構(gòu)鋼屋面受損實(shí)例，避免其因設(shè)計(jì)和施工缺陷導(dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題，提出了相關(guān)的處理方案，通過(guò)優(yōu)化方案提出了該質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)后的一系列整改措施，切實(shí)提升鋼結(jié)構(gòu)屋面的抗冰雪能力[2]。

1 工程概況

鋼排架結(jié)構(gòu)由于施工方便、造價(jià)低、自重輕、用鋼量少等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代了其他結(jié)構(gòu)形式的廠房。但該類結(jié)構(gòu)體系廠房的鋼結(jié)構(gòu)屋面由于設(shè)計(jì)及施工較為簡(jiǎn)單，在設(shè)計(jì)、施工甚至監(jiān)理過(guò)程中受到的重視程度不足，其由于自重較輕，成為雪災(zāi)中遭受破壞較為嚴(yán)重的主要鋼結(jié)構(gòu)形式。鋼結(jié)構(gòu)廠房?jī)?nèi)一般都會(huì)存在生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)線上有工人，若一旦存在質(zhì)量問(wèn)題，將會(huì)造成廠房?jī)?nèi)設(shè)備損壞甚至人員傷亡等重大損失。該典型案例為23 m跨排架結(jié)構(gòu)廠房，縱跨尺寸為72 m，屋蓋坡度為6%，兩端及中間部位設(shè)置了柱間支撐和屋面橫向水平支撐；屋面鋼檁條采用冷彎薄壁型鋼，材質(zhì)為Q235-A，檁距為1.5 m；屋面拉條規(guī)格為φ14圓鋼，屋面拉條跨中設(shè)置一道，屋面撐桿為φ12圓鋼+φ32×2.0套管；斜拉條和壓桿組成的桁架結(jié)構(gòu)體系分別設(shè)在檐口和屋脊處；隅撐規(guī)格為L(zhǎng)50×5角鋼；屋面采用100 mm厚巖棉彩鋼夾芯板。

2 現(xiàn)場(chǎng)查勘

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，2018年1月4日該建筑屋面邊跨發(fā)生了變形，檁條的翼緣及腹板發(fā)生彎扭屈曲破壞，進(jìn)而導(dǎo)致檁條失穩(wěn)破壞，局部屋面拉條存在脫落現(xiàn)象，局部固定在屋面檁條上的屋面隅撐出現(xiàn)掉落現(xiàn)象，如圖1所示。

3 鋼屋面受損原因分析

3.1 設(shè)計(jì)方面原因

檁條的作用為固定屋面板使其形成整體的蒙皮效應(yīng)，以加強(qiáng)屋面的整體剛度，并承擔(dān)屋面?zhèn)鱽?lái)的荷載將其傳遞給鋼梁。核對(duì)設(shè)計(jì)施工圖紙，檁條表達(dá)方式存在問(wèn)題，材料選用表中為Z型截面形式，但詳圖表達(dá)方式存在C型截面。屋面檁條的支撐方式主要為連續(xù)檁條和簡(jiǎn)支檁條，Z型截面一般為連續(xù)檁條，其在支座處做一定的搭接來(lái)保證彎矩、剪力的完全傳遞，來(lái)更好的充分利用材料強(qiáng)度[3]；根據(jù)規(guī)范要求，搭接長(zhǎng)度構(gòu)造要求不小于跨度的10%，若檁條荷載較大，搭接長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果加大。C型截面一般為簡(jiǎn)支檁條，簡(jiǎn)支檁條在支撐處不產(chǎn)生彎矩，最大彎矩值出現(xiàn)在跨中屬靜定結(jié)構(gòu)，所以相鄰檁條在支撐處不需要搭接[4]。

拉條詳圖中拉條的位置不滿足要求。由于屋面板與檁條間存在一定的位移，屋面板對(duì)檁條的上翼緣無(wú)法約束，導(dǎo)致檁條發(fā)生局部屈曲破壞。GB 51022—2015門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范要求，拉條可設(shè)在距檁條1/3腹板高度范圍內(nèi)，張緊的拉條能夠?qū)_條的上翼緣產(chǎn)生有效約束來(lái)避免發(fā)生屈曲破壞[5]，詳見(jiàn)圖2。

屋面邊跨的檁條強(qiáng)度不滿足要求。根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[6]第7.2.2條第1條：屋面板和檁條按積雪不均勻分布的最不利情況采用。該廠房為坡屋面，積雪分布不均勻，檁條設(shè)計(jì)應(yīng)考慮積雪分布最不利情況，設(shè)計(jì)邊跨的檁條應(yīng)給予適當(dāng)加強(qiáng)。按照原設(shè)計(jì)施工圖紙復(fù)核，邊跨的受彎強(qiáng)度與擾度計(jì)算不滿足要求。

3.2 施工方面原因

由于施工圖表達(dá)不嚴(yán)謹(jǐn)，沒(méi)有明確說(shuō)明檁條為連續(xù)檁條，僅僅在“隅撐連接詳圖”中有檁條套接，但支座處詳圖使用C型檁條。在工程開(kāi)工前，設(shè)計(jì)單位未有針對(duì)性地實(shí)施設(shè)計(jì)交底，使得施工單位理解成簡(jiǎn)支檁條，現(xiàn)場(chǎng)按照簡(jiǎn)支檁條實(shí)施了施工。按實(shí)測(cè)截面復(fù)核計(jì)算，檁條的截面受彎強(qiáng)度與擾度計(jì)算不滿足要求。

施工時(shí)夾芯板與檁條的構(gòu)造不滿足要求。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)檁托板存在漏設(shè)現(xiàn)象，無(wú)法保證檁條擱置在鋼梁上的穩(wěn)定性。根據(jù)《壓型鋼板、夾芯板屋面及墻體建筑構(gòu)造》01J925-1中夾芯板的相關(guān)要求，調(diào)查發(fā)現(xiàn)在夾芯板與檁條連接處未設(shè)置自攻螺釘，降低了夾芯板與檁條緊固連接點(diǎn)的穩(wěn)固性和剛度。

3.3 外部環(huán)境原因

由于該地區(qū)持續(xù)降雪，經(jīng)統(tǒng)計(jì)該地區(qū)的降雪量、降雪的荷載超過(guò)了荷載規(guī)范雪荷載取值的2%，在較大的雪荷載作用下出現(xiàn)了屋面邊跨變形現(xiàn)象。

4 整改方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的查勘與原因分析，施工單位提出了三種整改方案，見(jiàn)表1。

表1 三種整改方案

為了確保鋼結(jié)構(gòu)屋面結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性符合要求，同時(shí)考慮整改的經(jīng)濟(jì)性，建設(shè)單位邀請(qǐng)了有關(guān)建筑施工技術(shù)專家召開(kāi)了整改方案會(huì)議，會(huì)議由建設(shè)單位負(fù)責(zé)主持召開(kāi)，設(shè)計(jì)單位項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、監(jiān)理單位總監(jiān)、鋼結(jié)構(gòu)施工單位項(xiàng)目經(jīng)理、專家等相關(guān)人員到場(chǎng)，會(huì)議分為以下幾步：

1)建設(shè)單位簡(jiǎn)單介紹了屋面變形的情況及現(xiàn)場(chǎng)查勘的結(jié)果。2)專家查閱了相關(guān)圖紙及計(jì)算書(shū)，并從設(shè)計(jì)、施工、外部環(huán)境等分析了屋面變形的原因。3)施工單位介紹了三種整改方案。4)專家查閱了三種方案的計(jì)算書(shū)并分析了三種方案。

方案一采用鍍鋅方管替換后，鍍鋅方管的受力性能強(qiáng)于原檁條設(shè)計(jì)方案，但需替換所有屋面檁條，施工難度較高且改變?cè)Y(jié)構(gòu)受力構(gòu)件。方案二保持現(xiàn)有受力狀態(tài)的條件下對(duì)屋面進(jìn)行加固，施工難度一般且綜合造價(jià)最優(yōu)，但需全面核實(shí)屋面板與檁條連接處是否設(shè)置自攻螺釘，以保證檁條與屋面板的可靠連接，對(duì)于變形較大的檁條，因受力性能已損失應(yīng)放棄。方案三是建立在檁條扭轉(zhuǎn)變形可完全恢復(fù)其受力狀態(tài)，對(duì)其受力性能損失進(jìn)行加固；但檁條的應(yīng)力損失無(wú)法用數(shù)值估量，且該方案僅對(duì)檁條支座處進(jìn)行了加固，未考慮檁條中間處變形損失。綜上所述，專家建議選擇方案二，但整改細(xì)節(jié)仍需完善，需增加屋面板變形后的恢復(fù)處理及屋面板恢復(fù)后其接縫處的相關(guān)整改措施。

5 整改情況

按照專家意見(jiàn)，經(jīng)綜合考慮，建設(shè)單位選擇了方案二，由原施工單位制定了《排架屋面整改專項(xiàng)施工方案》，該方案包含了工程概況、編制依據(jù)、施工計(jì)劃、施工工藝技術(shù)、施工質(zhì)量安全技術(shù)保障措施、施工管理及作業(yè)人員配備和分工、驗(yàn)收要求、應(yīng)急處置措施、計(jì)算書(shū)及相關(guān)施工圖紙等，并明確了以下幾點(diǎn)：1)側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)超過(guò)規(guī)范值的檁條應(yīng)予以更換，建設(shè)單位與施工單位共同排查并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量來(lái)確定需要更換的檁條。2)側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)未超過(guò)規(guī)范值的檁條，施工單位實(shí)施糾正至原狀并按設(shè)計(jì)要求增加拉條數(shù)量。3)增加原規(guī)格檁條，并對(duì)檁條進(jìn)場(chǎng)實(shí)施見(jiàn)證取樣檢測(cè)，進(jìn)一步保證檁條的抗拉強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。4)檁條整改完成后，逐一核實(shí)屋面板與檁條連接處設(shè)置自攻螺釘情況，確保整體的剛度和穩(wěn)定性。該方案經(jīng)施工單位技術(shù)負(fù)責(zé)人審核簽字、加蓋單位公章，并由總監(jiān)理工程師審查簽字、加蓋執(zhí)業(yè)印章后方可實(shí)施。施工單位在約定的期限內(nèi)進(jìn)場(chǎng)整改，監(jiān)理單位檢查、記錄整改過(guò)程，建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督人員定期檢查施工單位的整改進(jìn)度。通過(guò)不斷的跟蹤落實(shí)，保證各責(zé)任單位履行整改職責(zé)。整改完畢后由建設(shè)單位組織責(zé)任主體共同檢查驗(yàn)收，形成書(shū)面驗(yàn)收文件。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)該工程事故的調(diào)查處理，鋼結(jié)構(gòu)屋面的設(shè)計(jì)應(yīng)從構(gòu)造措施、荷載取值等多方面綜合考慮，提升荷載組合提高輕鋼結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，同時(shí)根據(jù)工程的實(shí)際情況合理選取結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)避免設(shè)計(jì)圖紙的失誤，工程開(kāi)工前做好設(shè)計(jì)交底工作。施工單位在施工過(guò)程中應(yīng)按圖施工，若發(fā)現(xiàn)存在設(shè)計(jì)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)通過(guò)建設(shè)單位向設(shè)計(jì)單位反映，要求設(shè)計(jì)單位修改或優(yōu)化圖紙，以免造成更大的損失。