某體育場看臺鋼膜結構工程質量事故分析

劉訓良

1 工程概況

蘇北某高校新校區體育場看臺為體育場的附屬工程，看臺下前面是鋼筋混凝土結構臺階及其下的體育功能型用房，后為鋼筋混凝土頂板與立柱的外走訪廊?？磁_上面為遮陽避雨的鋼膜結構，它由鋼管立柱、懸挑鋼結構桁架、縱向聯系與支撐桁架和其上覆蓋的薄膜構成。全長約110 m，高約18.5 m;鋼結構由13根鋼柱和15榀桁架組成;桁架間距6.675 m，長14.216 m;鋼柱中間兩跨間距為13.35 m，兩側各五跨跨距均為6.675 m，柱腳與看臺鋼筋混凝土柱用螺栓連接;鋼膜結構兩端設有拉結薄膜的鋼筋混凝土短柱(體育場看臺外形見圖1)。整個鋼膜結構造型新穎，形狀飄逸，成為該校區重要一景。

圖1 新校區體育場看臺

2 事故情況

本工程2007年7月建成，2010年初發現每當有強風時，看臺膜結構上下振幅變大。特別是一次暴風雨后，因其銹蝕焊縫破壞致使一支承斜桿斷裂塌落和一縱向連系桁架斷裂，致使懸挑鋼膜結構在強風作用下振蕩進一步加大，且伴有吱吱的響聲，部分鋼管立柱明顯向前傾斜或彎曲。顯然此結構已成為危險結構，學校不得不在其四周設置警戒線，以防不測。經專家現場察看，主要質量問題有:1)多數鋼結構節點的焊接銹蝕開裂，少數臨近斷裂，部分桿件出現銹斑;個別縱向連系桁架和斜支撐柱斷落;2)鋼立柱與鋼筋混凝土柱頂的固定螺栓松動變形;立柱向懸挑鋼結構桁架一側彎曲傾斜;3)鋼立柱根部外側墻體開裂并滲漏水;4)整個鋼結構剛度下降，承受風荷載能力不足。

3 原因分析

根據現場鋼結構損壞與變形情況，在審查復核相關結構設計與施工文件資料的基礎上，總結出如下事故原因。

3.1 結構設計

1)鋼管主立柱截面與地腳螺栓設計不合理。主要表現有兩方面，其一，該結構為大懸挑，立柱受力主要沿屋架方向的偏心力，立柱后雖有斜桿，但下節點與立柱很近，分擔拉壓力相當有限，所以鋼結構柱宜為雙軸不對稱截面合理，相應的鋼結構柱與其下鋼筋混凝土柱頂連接的柱腳螺栓也應為不對稱的，而不是現設計與柱斷面一樣的圓形;其二是中間三根鋼管立柱間距是其他立柱間距的2倍，承受荷載與內力也較兩側立柱大得多，但這三根鋼管立柱的直徑與壁厚均與其他立柱一樣。從結構損壞看，三根鋼管立柱均已變形，其中一根向懸挑一側彎曲變形達5 mm。2)鋼管主立柱排布不均勻，⑧軸、⑩軸(即中間三根鋼管立柱的跨中)桁架處沒有鋼管主立柱，相應的懸挑鋼屋架無可靠著力點，當強風產生時，會出現較大變形，并通過屋架縱向桁架與柱間連桿影響相鄰屋架和鋼立柱的內力與變形，并進而導致剛性節點焊縫的開裂。⑧軸立柱左側一聯系桁架焊縫處斷裂即為該立柱與其他立柱受力與變形不協調所致。3)經過結構計算書復核，鋼立柱在不同荷載組合中選擇的截面偏小，不能滿足國家規范要求，特別是缺立柱的⑧軸、⑩軸桁架兩側的三根鋼管柱，由于截面偏小較多，導致內力變形增大。4)支撐體系不完整。桁架上下弦、鋼立柱間均無交叉支撐，桁架尾部鋼立柱間無垂直支撐，下弦桁架間無系桿，致使屋蓋系統整體性與剛度不足。

3.2 結構施工

1)結構鋼柱柱腳螺栓在原設計圖紙和工程施工的隱蔽驗收記錄中均為M32，但實測直徑為M25，顯然，由于施工出錯，加上此螺栓群未能按承受偏心力特點作不對稱設計，從而使部分螺栓因內力過大而導致松動變形，進而產生立柱向看臺一側傾斜及立柱根部外側墻體開裂滲漏等一系列質量問題。2)檢測6個鋼立柱30處防銹漆厚度，29處厚度達不到國家規范要求，為焊接點與桿件銹蝕埋下隱患。3)部分鋼結構節點焊縫存在漏焊、少焊、咬肉等缺陷，成為導致其后節點破壞乃至桿件脫落的主要因素。

3.3 自然條件

1)該膜結構出挑較大，位于學校空曠區，且出挑端無支撐拉結點，遇到強風作用時，結構本身變形較大;2)鋼結構長期暴露在室外，容易產生銹腐蝕。此外，由于風荷載等的作用使節點焊縫開裂，而自然雨水的浸入則進一步加劇了銹蝕的發展直至出現斷裂。

4 事故教訓

1)懸挑較大的鋼結構桁架設計要引起重視，除結構內力、強度計算外，要特別關注結構的合理布置、節點連接和支撐構造系統的計算與設計;2)施工中要認真把好質量關，特別是結構材料的性能檢測、結構的防銹處理與施工、焊接與螺栓連接等的施工質量與檢測;3)室外鋼結構在使用過程中必須進行維護保養，特別是其相關連接的可靠性復查、定期的防銹處理等。

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