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)是從上世紀九十年代從國外引進的，由于這種結(jié)構(gòu)自重小、造價低、施工期短、造型美觀，在國內(nèi)已得到大規(guī)模的應(yīng)用。現(xiàn)國內(nèi)每年新增這種結(jié)構(gòu)的面積達幾百萬平方米，主要應(yīng)用于倉庫、廠房、鐵路罩棚、機庫等。

由于對該結(jié)構(gòu)自身的特性認識不足，也缺乏相應(yīng)的工程管理經(jīng)驗，導(dǎo)致自上世紀九十年代后期，我國有幾十個大跨拱形波紋鋼屋蓋相繼發(fā)生坍塌事故。這引起有關(guān)人員的重視并對這種結(jié)構(gòu)進行了研究，于2004 年發(fā)布了中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準《拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。該規(guī)程對這種結(jié)構(gòu)從設(shè)計、施工及驗收進行了相關(guān)規(guī)定，使這種結(jié)構(gòu)在國內(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、施工、管理等方面對其坍塌原因進行剖析，以避免出現(xiàn)類似的工程事故，加深對該結(jié)構(gòu)的了解。

2 結(jié)構(gòu)特點

拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)是用彩色鍍鋅鋼帶現(xiàn)場滾壓成型的冷彎薄壁型空間鋼結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是用專門的成型機組將涂覆有機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，各組在屋頂上通過咬邊機咬合成一個整體，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)合國內(nèi)相關(guān)研究，這種結(jié)構(gòu)主要有以下特點:

⑴目前國內(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)定問題是這類結(jié)構(gòu)的控制問題;⑵橫向波紋對壓型拱板結(jié)構(gòu)的受力影響很大，計算分析中要考慮波紋對結(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)程中對這種結(jié)構(gòu)的跨度進行限制的主要原因。目前國內(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結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能影響較大。

3 事故剖析

從上世紀九十年代初起，國內(nèi)企業(yè)引入拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)，由于對這種結(jié)構(gòu)認識不足，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)為三個方面:設(shè)計理論模糊、施工質(zhì)量缺陷、工程管理混亂。以下結(jié)合部分工程實例進行剖析。

3.1 設(shè)計理論

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到0.512kN/m2，并伴有5～6 級西北風(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)濟損失約400 萬元。此次坍塌的建筑包括游泳館、訓(xùn)練館和庫房共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)下了幾場大雪，據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料，該地區(qū)累計降雪量達72.5mm，為幾十年來所罕見，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)濟損失累計超千萬元。其中某農(nóng)貿(mào)市場營業(yè)大廳北跨塌落，南跨未塌但已有變形。該營業(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)計理論模糊，設(shè)計方法有缺陷，對這種結(jié)構(gòu)的特性認識不足。由于在當(dāng)時這是種剛引進的結(jié)構(gòu)形式，國內(nèi)對其有關(guān)性能的研究未能及時跟進，一般均采用從國外引進的軟件，結(jié)合國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計。這就導(dǎo)致了以下結(jié)果:

⑴從國外的計算機軟件說明書可以看出，國外這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用的是平面拱理論。將這種空間薄壁結(jié)構(gòu)按平面問題考慮，與實際情況相差甚遠;⑵對于結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定問題，有的軟件不予考慮，有的軟件僅在結(jié)構(gòu)截面計算時通過有效寬度予以考慮。但這種結(jié)構(gòu)的腹板寬厚比遠遠超過了我國規(guī)范要求，使得有效寬度的取值沒有了依據(jù);⑶彩板中大量波紋的存在對結(jié)構(gòu)性能的影響不容忽略，但按平面拱理論進行計算無法考慮其影響。

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)場進行了相關(guān)試驗，得出結(jié)構(gòu)承載力不足是導(dǎo)致事故的根本原因，進一步驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題。

3.2 施工質(zhì)量

上述兩起事故中均對屋面拱板的施工質(zhì)量進行了檢查，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)場撥出的螺釘沒有新鮮刻痕。

這些施工質(zhì)量問題致使結(jié)構(gòu)不能很好地形成一個空間整體，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)，該庫房長跨為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(沿庫房短跨)，采用1.3mm 冷軋彩色鋼板，拱板寬600mm。在進行屋蓋的安裝施工時，東、西外墻突然發(fā)生倒塌，經(jīng)現(xiàn)場調(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)計規(guī)范》(GBJ 3-88)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GBJ 10-89)、建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊(第二版)和相關(guān)資料對該倉庫倒塌東、西外墻的承載能力進行了驗算。

驗算時計算單元取窗中至窗中的窗間墻，計算截面選取下層窗洞口底部。計算結(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遠低于作用彎矩值。

這起事故從技術(shù)上分析看似很簡單，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)施工沒有施工技術(shù)方案，且沒有采取有效的施工保障措施;

②屋蓋安裝時，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拱形波紋屋蓋結(jié)構(gòu)特性認識不足，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)計理論模糊，設(shè)計方法有缺陷，對這種結(jié)構(gòu)的特性認識不足。也就是存在著結(jié)構(gòu)體系方面的問題;

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)定問題是這類結(jié)構(gòu)的控制問題;各種質(zhì)量缺陷和集中荷載對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能影響較大;橫向波紋對壓型拱板結(jié)構(gòu)的受力影響很大，計算分析中要考慮波紋對結(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螺釘大多銹蝕嚴重，有的剪斷的螺釘截面處已出現(xiàn)銹蝕，現(xiàn)場撥出的螺釘沒有新鮮刻痕;表明螺釘?shù)哪途眯源嬖趩栴}，同時說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)定性存在問題，穩(wěn)定性問題應(yīng)該屬于結(jié)構(gòu)體系評定的范疇。

⑻規(guī)范中該屋蓋結(jié)構(gòu)的恒載分項系數(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］中華人民共和國協(xié)會標準.《拱形波紋鋼屋蓋結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS167∶2004)［S］.中國建筑工業(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)定承載力試驗研究［J］，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，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).