鋼-混凝土組合屋蓋坍塌事故調(diào)查與分析*

劉小燕，董三升，雷 拓

(1.陜西建工第八建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710068； 2.長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061)

0 引言

為滿足建筑功能對(duì)于大空間的要求，下部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而上部采用鋼屋蓋(架)的組合結(jié)構(gòu)體系日益普遍。這種結(jié)構(gòu)體系已被大量應(yīng)用于體育館、機(jī)場(chǎng)航站樓、高鐵客運(yùn)站、工業(yè)廠房及頂層需具有大空間的新建或改建建筑中[1-5]，但由于設(shè)計(jì)、施工等過(guò)程中存在某些問(wèn)題，導(dǎo)致采用此類結(jié)構(gòu)體系的工程安全事故偶有發(fā)生[6]。目前，對(duì)此類結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算分析方法主要包括整體建模分析和分離建模分析，對(duì)計(jì)算模型及構(gòu)造措施的假設(shè)需與實(shí)際受力情況相符，這是保證此類結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。本文結(jié)合某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)頂部宴會(huì)廳鋼-混凝土組合屋蓋坍塌情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)鑒定、理論計(jì)算，對(duì)坍塌原因進(jìn)行分析，以期為該工程的后續(xù)加固和其他類似工程坍塌分析提供參考。

1 工程概況

某6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)頂部宴會(huì)廳東西長(zhǎng)42.0m，南北寬24.30m，建筑面積約1 020m2。采用鋼-混凝土組合屋蓋體系，南北向主鋼梁為3段拼接式變截面實(shí)腹鋼梁(共6榀)，主鋼梁兩端與混凝土框架柱采用滑動(dòng)支座連接，東西向布置HN400×200×8×13次梁。框架柱及現(xiàn)澆屋蓋板混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C45和C30，主、次梁鋼材等級(jí)均為Q355B。屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。項(xiàng)目始建于2021年8月，于2021年12月竣工，即將交付使用時(shí)屋蓋發(fā)生坍塌事故(見(jiàn)圖2)，所幸無(wú)人員傷亡。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 屋蓋坍塌情況

現(xiàn)場(chǎng)勘察初步判定本次坍塌事故是由主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)破壞引起的(見(jiàn)圖2c)。為避免可能造成的結(jié)構(gòu)豎向連續(xù)坍塌，屋蓋坍塌后及時(shí)搭設(shè)滿堂腳手架進(jìn)行臨時(shí)支撐，并使用切割機(jī)對(duì)屋蓋板進(jìn)行拆除。另外，采用楔形焊接鋼板臨時(shí)補(bǔ)強(qiáng)變形較大的主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)。

2 檢測(cè)鑒定

2.1 材料強(qiáng)度檢測(cè)

根據(jù)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[7]有關(guān)要求，采用回彈法檢測(cè)框架柱混凝土強(qiáng)度。結(jié)果表明，考慮齡期折減后，框架柱混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為59.8MPa。

根據(jù)GB/T 50344—2019《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[8]有關(guān)要求，采用里氏硬度法對(duì)鋼梁強(qiáng)度進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。結(jié)果表明，鋼梁強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù) GB/T 1231—2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》[9]有關(guān)要求，抽取8根高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行抗拉試驗(yàn)。結(jié)果表明，高強(qiáng)度螺栓抗拉強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

由此可判定，此次坍塌事故與混凝土柱、鋼梁及高強(qiáng)度螺栓材料強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

2.2 鋼梁變形檢測(cè)

2.2.1主鋼梁豎向撓度

原設(shè)計(jì)中，主鋼梁底標(biāo)高為33.600m，相對(duì)于樓面標(biāo)高為7.800m。主鋼梁立面布置及關(guān)鍵位置梁底相對(duì)標(biāo)高如圖3所示。由圖3可知，主鋼梁明顯下?lián)?，撓度較大處位于③～⑤軸主鋼梁南側(cè)(靠近軸)梁段拼接節(jié)點(diǎn)，其中下?lián)献畲筇幬挥冖葺S主鋼梁，最大撓度達(dá)1.360m。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果可知，主鋼梁豎向撓度是由拼接節(jié)點(diǎn)下部螺栓拉斷破壞后引起主鋼梁剛體轉(zhuǎn)動(dòng)造成的。

圖3 主鋼梁立面布置及關(guān)鍵位置梁底相對(duì)標(biāo)高

2.2.2主鋼梁平面外撓度

實(shí)測(cè)①～⑥軸主鋼梁跨中垂直度偏差分別為72，90，60，9，57，108mm，傾斜方向分別為東、東、東、西、西、西?？梢?jiàn)，各榀主鋼梁均發(fā)生不同程度的平面外傾斜，東、西側(cè)主鋼梁傾斜嚴(yán)重。④軸主鋼梁平面外變形最小，這是因?yàn)棰茌S主鋼梁變形后，由于次梁和屋蓋板的拉結(jié)作用，使其他軸主鋼梁向④軸發(fā)生平面外傾斜。

2.3 主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)變形

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，①，⑥軸主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)處螺栓未發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象，而②～⑤軸主鋼梁南側(cè)拼接節(jié)點(diǎn)均開(kāi)裂(見(jiàn)圖4)，節(jié)點(diǎn)下部水平脫開(kāi)距離分別為420，430，500，480mm，上下錯(cuò)位最大距離為130mm，拼接節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂造成螺栓斷裂、脫落。

圖4 主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)破壞情況

2.4 屋蓋荷載

為便于分析事故原因，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)屋蓋做法與荷載進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示?，F(xiàn)場(chǎng)屋蓋做法(含現(xiàn)澆板)總厚度為227～248mm，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[10]規(guī)定的荷載取值，計(jì)算得到6個(gè)測(cè)點(diǎn)荷載平均值為3.80kN/m2，較設(shè)計(jì)屋蓋做法荷載平均值增加14.5%。

表1 屋蓋做法與荷載

2.5 牛腿、滑動(dòng)支座變形

本工程①～④軸主鋼梁端部設(shè)計(jì)為鋼牛腿，⑤，⑥軸屋蓋端部設(shè)計(jì)為柱頂預(yù)埋板。鋼牛腿、柱頂預(yù)埋板頂面與滑動(dòng)支座底板焊接連接，主鋼梁底面與滑動(dòng)支座蓋板焊接連接?，F(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，鋼牛腿、柱頂預(yù)埋板未發(fā)生明顯損傷，可排除牛腿引起坍塌事故的可能。②～⑤軸滑動(dòng)支座可見(jiàn)明顯傾斜，且傾斜方向基本為主鋼梁跨外方向，其中⑤軸支座破壞損傷最嚴(yán)重，這是由于支座蓋板連同主鋼梁發(fā)生較大的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，蓋板外側(cè)與支座分離，產(chǎn)生較大的水平推力。①，⑥軸滑動(dòng)支座未見(jiàn)明顯傾斜，但支座四角立桿均發(fā)生明顯變形。主鋼梁滑動(dòng)支座破壞情況如圖5所示。

圖5 主鋼梁滑動(dòng)支座破壞情況

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 計(jì)算模型校核

本工程采用混凝土柱-實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)體系[11-12]，此類結(jié)構(gòu)體系柱腳一般按剛性連接處理，本文對(duì)鋼梁與框架柱連接方式與受力特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。

對(duì)于混凝土柱-實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)體系，特別是先施工混凝土柱再施工鋼梁時(shí)，混凝土柱與鋼梁剛性連接做法難以實(shí)現(xiàn)。原設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)計(jì)算模型取為門(mén)式剛架(見(jiàn)圖6a)，顯然有失偏頗，因僅考慮到排水要求，將鋼梁依據(jù)排水坡度做成變截面簡(jiǎn)支梁，在豎向荷載作用下混凝土柱頂不存在水平推力，也就不存在“拱效應(yīng)”。按照本工程屋蓋鋼梁結(jié)構(gòu)布置和支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)做法，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型應(yīng)取為排架+滑動(dòng)支座，如圖6b所示。

圖6 混凝土柱-實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)體系計(jì)算模型

3.2 驗(yàn)算結(jié)果

采用PKPM-V5.1版軟件建立1榀屋蓋計(jì)算模型進(jìn)行分析，原鋼筋混凝土柱截面尺寸為800mm×700mm(長(zhǎng)×寬)，柱高7.8m，與原6層框架結(jié)構(gòu)剛接，標(biāo)高25.800m。主鋼梁按圖3所示尺寸建模，跨度24.8m。依據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙及荷載檢測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)屋蓋做法和現(xiàn)場(chǎng)屋蓋做法對(duì)應(yīng)的屋蓋恒荷載分別取為3.32，3.80kN/m2。

鑒于本工程是在屋蓋結(jié)構(gòu)完工后發(fā)生的自然坍塌，未涉及地震、大風(fēng)和其他人為因素，為明確事故原因，計(jì)算分析時(shí)僅考慮設(shè)計(jì)屋蓋恒荷載工況和現(xiàn)場(chǎng)屋蓋恒荷載工況，不考慮恒荷載分項(xiàng)系數(shù)的影響，主要驗(yàn)算結(jié)果對(duì)比如表2所示。由表2可知，現(xiàn)場(chǎng)屋蓋恒荷載工況下，排架+滑動(dòng)支座、門(mén)式剛架計(jì)算模型得到的主鋼梁最大應(yīng)力比分別為0.48，0.28，跨中撓度分別為梁計(jì)算長(zhǎng)度的1/391，1/800，以門(mén)式剛架為模型計(jì)算得到的主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)彎矩與以排架+滑動(dòng)支座為模型計(jì)算得到的結(jié)果偏差較大。綜上所述，可基本排除主鋼梁截面尺寸對(duì)坍塌事故的影響。

表2 驗(yàn)算結(jié)果

4 坍塌原因分析

4.1 節(jié)點(diǎn)破壞

首先對(duì)主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析，本工程主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)采用輕型門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)中剛架梁常用的高強(qiáng)度螺栓端板連接節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。其中端板厚度為35mm，加勁肋厚度為16mm，加勁肋外伸寬度為150mm。由驗(yàn)算結(jié)果可知，按門(mén)式剛架模型進(jìn)行主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)存在較大安全隱患。

圖7 原主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)

端板連接方式之所以在門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)中得到廣泛采用，是由于門(mén)式剛架具有梁柱剛性連接的特點(diǎn)，拼接節(jié)點(diǎn)內(nèi)力較小的緣故。本工程主鋼梁實(shí)質(zhì)上屬于簡(jiǎn)支的變截面梁，顯然不屬于門(mén)式剛架。從理論上講，混凝土柱-實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)體系中梁-梁拼接也可采用端板連接方式，但由于按排架+滑動(dòng)支座模型計(jì)算得到的主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)內(nèi)力較大，未能完成端板連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)?？梢?jiàn)，原設(shè)計(jì)端板連接節(jié)點(diǎn)承載力明顯不足。另外，對(duì)于非門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，端板連接節(jié)點(diǎn)一旦發(fā)生破壞，會(huì)像本工程拼接節(jié)點(diǎn)呈自下而上“解扣子”的破壞現(xiàn)象。因此，可認(rèn)為主鋼梁采用端板連接方式并不合適，而應(yīng)采用普通鋼結(jié)構(gòu)中梁-梁剛性連接的拼接節(jié)點(diǎn)形式，并按等強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)[13]。原主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)形式與節(jié)點(diǎn)計(jì)算均存在嚴(yán)重問(wèn)題，這是導(dǎo)致本次事故的直接原因。

4.2 主鋼梁布置與分段問(wèn)題

本工程主鋼梁采用3段拼接式變截面，梁底相對(duì)于樓面標(biāo)高為7.800m，這種布置與分段方式存在以下問(wèn)題。

1)找坡困難

本工程變截面主鋼梁高度為1 000～1 400mm，梁頂坡度約為3.2%，由于結(jié)構(gòu)找坡坡度較小(坡度一般取1/20～1/8)，后期屋蓋施工時(shí)，再次進(jìn)行了找坡，這也是造成屋蓋板過(guò)厚及超載的主要原因?？刹捎脙摄q折線拱進(jìn)行主鋼梁布置，以滿足施工和經(jīng)濟(jì)性要求。

2)主鋼梁起拱困難

GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[14]第3.4.3條及條文說(shuō)明中對(duì)橫向受力構(gòu)件起拱給出了指導(dǎo)原則和起拱量計(jì)算方法。實(shí)際工程中，通常要求對(duì)于跨度>9m的鋼梁進(jìn)行起拱[15]。本工程主鋼梁跨度達(dá)24.8m，應(yīng)考慮鋼梁起拱，但施工說(shuō)明中未提及。按照本工程主鋼梁布置與分段方式，起拱量較大，且起拱難度大。

3)主鋼梁撓度不易控制

本工程采用的梁端滑動(dòng)支座形式對(duì)鋼梁的撓度較敏感，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼梁撓度。鋼梁撓度過(guò)大，易造成梁兩端發(fā)生過(guò)大轉(zhuǎn)角位移，從而引起支座傾斜。

4.3 滑動(dòng)支座破壞

從現(xiàn)場(chǎng)滑動(dòng)支座破壞情況看，主要存在以下問(wèn)題：①原設(shè)計(jì)采用了兩端滑動(dòng)支座，這種支座布置方式不合理，應(yīng)采用一端固定、一端滑動(dòng)支座；②現(xiàn)場(chǎng)支座形式及原設(shè)計(jì)圖紙中的支座形式均存在一定問(wèn)題。因支座設(shè)計(jì)及施工不合格，主鋼梁下?lián)虾?，主鋼梁兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)引起支座傾斜破壞。對(duì)于本工程梁端支座，一端應(yīng)選用固定球型成品支座，另一端應(yīng)選用滑動(dòng)球型成品支座，并根據(jù)整體計(jì)算結(jié)果，按照GB/T 32836—2016《建筑鋼結(jié)構(gòu)球型支座》[16]規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行選用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)荷載方面，現(xiàn)場(chǎng)屋蓋做法平均荷載較設(shè)計(jì)屋蓋做法平均荷載增加約14.5%，可知未嚴(yán)格按圖施工造成的超載是坍塌事故的誘因。對(duì)于此類跨度較大的屋蓋結(jié)構(gòu)，建議采用壓型彩鋼板等輕質(zhì)材料。

2)計(jì)算模型方面，本工程屋蓋結(jié)構(gòu)采用混凝土柱-實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)體系。原設(shè)計(jì)將此類體系按門(mén)式剛架進(jìn)行設(shè)計(jì)，這是不合適的。在混凝土柱-實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)體系中，混凝土柱與鋼梁的剛性連接難以實(shí)現(xiàn)，故一般按鉸接處理。該問(wèn)題應(yīng)在類似新建和改建工程中得到足夠重視。

3)鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面，本工程原設(shè)計(jì)中按門(mén)式剛架中梁-梁端板連接方式設(shè)計(jì)主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)存在嚴(yán)重缺陷?；诒疚挠?jì)算分析結(jié)果，原主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)承載力嚴(yán)重不足，這也是導(dǎo)致本次坍塌事故的直接原因。鑒于本工程屋蓋主鋼梁與混凝土柱連接達(dá)不到剛接要求，加之端部滑動(dòng)支座的引入，主鋼梁只能按簡(jiǎn)支梁考慮。因此，主鋼梁拼接節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用剛性連接形式，并按等強(qiáng)度條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4)鋼梁布置與分段方面，本工程主鋼梁由3段變截面梁按統(tǒng)一梁底標(biāo)高拼接而成，這種布置方式導(dǎo)致結(jié)構(gòu)找坡不足，也造成了材料浪費(fèi)，且主鋼梁起拱難度較大。因此建議主鋼梁按兩鉸折線拱方式布置，考慮到主鋼梁施工下料長(zhǎng)度的限制，可將主鋼梁分成偶數(shù)段，以方便下料和起拱。

5)滑動(dòng)支座方面，本工程滑動(dòng)支座布置方式有誤，應(yīng)采用一端固定、一端滑動(dòng)的方式。另外，支座設(shè)計(jì)和施工存在問(wèn)題，造成了主鋼梁梁端支座傾斜破壞。對(duì)于本工程主鋼梁梁端支座，一端應(yīng)選用固定球型成品支座，另一端應(yīng)選用滑動(dòng)球型成品支座。