某在建鋼結構煤棚倒塌事故調查與啟示

郭 宏 偉

(山西省住房和城鄉建設廳宣傳中心，山西 太原 030013)

0 引言

為控制煤炭堆放場所的揚塵污染，《山西省煤場揚塵污染防治技術規范》中要求“縣級以上城市建成區內的現有煤場應實施密閉；未密閉的煤場應限期實施密閉改造”。2017年山西新建了一批鋼結構煤棚，2018年年初，多起在建煤棚倒塌。本文將圍繞某在建鋼結構煤棚倒塌事故，開展倒塌原因調查。

1 工程概況

2017年11月，開工新建80 m×46 m的鋼結構煤棚，高約18.7 m。排架結構——鋼管混凝土柱+鋼桁架，榀間距16 m；外包混凝土式剛接柱腳；有檁體系，承重鋼桁架——GHJ，間距8 m(設工字形截面托梁)；墻板、屋面板采用壓型鋼板。承重結構鋼材采用Q235B。

2018年3月中旬，在進行鋼結構煤棚屋面板吊裝過程中突然發生倒塌，見圖1。

2 事故調查

事故發生后，對該鋼結構煤棚進行了現場勘察及相關資料搜集、材料力學性能試驗、理論分析等工作。

2.1 現場勘察

1)施工現場。事故發生前，柱腳混凝土未外包混凝土；結構主體安裝完畢；南側、西側墻面板，北側部分墻面板已安裝。天氣情況良好且無擾動，在進行成垛屋面板吊裝、堆放時發生倒塌。倒塌后，南側、北側排架柱均向內傾倒，墻面檁條與柱連接基本完好；跨度46 m的鋼桁架跌落后主要分布在中間約12 m寬的區間，節點、構件基本完整，個別彎扭嚴重部位出現撕裂現象；西側山墻排架柱向內傾倒，3根抗風柱及之間墻體發生輕微外傾，并未倒塌。托梁與排架柱剛接節點，翼緣處虛焊情況嚴重，且腹板高強度螺栓存在未擰緊；排架柱柱腳節點處錨栓98%以上發生斷裂。現場實測鋼桁架的構件截面尺寸——支座斜腹桿2∠50×4(原設計2∠63×6)；弦桿的拼接位置及焊縫長度；并對部分構件、節點取樣。

2)設計圖紙。通過對原設計圖紙查閱發現，柱間支撐不完整，桁架垂直支撐間距過大——23 m、下弦橫向水平支撐是否設置不明確、水平支撐與鋼桁架節點不重合；鋼桁架弦桿采用不等邊角鋼長肢相拼；無托梁與鋼桁架連接節點及相關抗扭、局部承壓構造措施；未見基礎施工圖，排架柱腳外包混凝土厚度、標號不明；GHJ中構件拼接節點——如弦桿跨中、桿件接長等，無圖無說明。

2.2 材料力學性能試驗

根據GB/T 2975相關要求，分別對GHJ上弦桿、托梁翼緣及腹板、鋼管混凝土柱柱腳底板取樣；試件編號見表1，試驗結果匯總見表2。

表1 力學性能試件

試驗表明，材料拉伸具有明顯的屈服；實測屈服強度均大于235 N/mm2，實測抗拉強度值均大于370 N/mm2，且小于500 N/mm2；伸長率均大于26%；力學性能滿足GB/T 700相關要求。

2.3 理論分析

為計算結構或構件的極限承載能力，探究事故原因，分別對GHJ、托梁、排架柱及其柱腳進行受力分析及驗算。

1)鋼桁架。

事故發生前，無風無地震。原煤棚屋面檁條僅承擔自重，發揮系桿作用，因此上弦平面外計算長度取1.5 m，下弦平面外計算長度取23 m；鑒于柱腳未實現剛接、托梁抗扭剛度較小且上下翼緣未可靠連接，GHJ按簡支計算；支座斜腹桿按實測2∠50×4建模；GHJ桿件強度設計值取實測屈服強度255.7 N/mm2。

腹桿平面內長細比，下弦桿平面外長細比，不滿足要求。

在屋面板吊裝前，鋼桁架僅受結構自重作用，無屋面板、屋面活荷載。經計算，上弦桿最大壓力-78.0 kN，下弦桿最大拉力77.8 kN；最大撓度31.5 mm；承載力、撓度滿足要求。

在屋面板吊裝堆放后，鋼桁架除受結構自重作用之外，按實際堆放情況進行加載計算，上弦桿最大壓力-116.4 kN，下弦桿最大拉力116.6 kN；最大撓度45.8 mm。支座斜腹桿平面內穩定應力為277.76 N/mm2>255.7 N/mm2，不滿足要求，此時GHJ瞬變為機構；其余桿件驗算滿足要求。

2)托梁。

托梁采用H1000×500×8×10，跨度16 m，跨中承受GHJ的支座反力。

倒塌前，托梁按兩端簡支驗算，抗彎強度41.437≤215、抗剪強度5.142≤125、整體穩定82.491≤215、豎向撓度6.453≤L/400=40，滿足要求。

表2 力學性能試驗結果

3)排架柱。

排架柱采用鋼管φ630×8，內澆C25混凝土。倒塌前，鋼柱承受豎向荷載107.24 kN，小于其承載能力。

4)排架柱柱腳節點。

倒塌前排架柱柱腳采用8根M30錨栓固定，可承受最大彎矩為145.7 kN·m。GHJ支座斜腹桿失穩退出工作前，下弦軸力約為69.6 kN，對柱腳節點的彎矩值69.6×16=1 113.6 kN·m?145.7 kN·m，8根M30錨栓將由外及內依次被拉斷。

3 倒塌過程及原因

通過現場勘察，材料力學性能試驗及理論分析后，還原倒塌過程：

1)鋼結構煤棚東側的鋼桁架因屋面板的堆放，致使支座斜腹桿失穩，瞬間變為機構，在其下弦拉力作用下兩側排架柱向內傾斜，拉斷柱腳錨栓；

2)因GHJ間檁條的拉結，自東向西帶動相鄰GHJ失穩墜落，排架柱腳錨栓被拉斷，向內傾倒；

3)連鎖反應擴展至西側山墻時，受縱向托梁的連接及支撐約束共同影響，山墻排架柱柱腳錨栓拉斷后向東傾倒；

4)西側山墻抗風柱與鋼桁架下弦采用單角鋼限位——弱連接，GHJ從抗風柱柱頂滑脫；南北側墻面自東向西依次倒塌過程中，形成較大氣流直接作用于西側山墻墻面內側——形成向西的推力，致使該處3根抗風柱及其墻面向西傾斜，但未能拉斷柱腳錨栓，因此斜而未倒。

綜合現場調查、試驗及理論分析，造成本次事故發生的原因：

1)跨度46 m的GHJ設計承載力不足，支撐體系布置不合理，是倒塌發生的根本原因。

2)施工過程中，柱腳未滿足剛接條件進行上部結構施工、GHJ支座斜腹桿由小代大、托梁翼緣焊縫不合格、局部堆載過大是導致原煤棚整體倒塌發生的直接原因。

4 啟示

通過本次鋼結構煤棚倒塌事故的調查，結合近期山西省發生的多起類似實例，該類工程項目工程管理及實施過程中的啟示如下：

1)平面承重結構。排架用作大跨結構時，應保證空間穩定性，采取必要措施防止連續倒塌。

2)承重結構中受力較大或重要的桿件應有足夠的可靠度，可引入“多余”支撐，增加結構傳力路徑。

3)在保證安全的前提下，通過結構優化、科學組織項目實施，降低工程造價。

4)特殊項目工期較短，更應關注安全、質量，不可心存僥幸，盲目冒進。

5)在企業自建項目中，存在無監管、無監理、無甲方代表的情況，施工企業身為運動員，同時又是裁判，工程質量難以保障。

6)為避免構件打架或采購繁瑣，不經設計同意或專家論證，施工企業擅自更改結構或變更桿件規格，往往會導致結構缺陷。

7)開展工程設計時，應做到結構合理，荷載取值準確，滿足承載力及剛度要求，節點連接構造可靠。

8)隨著建設項目復雜程度越來越高，項目總承包的推進，施工企業應加強施工方案的設計與驗算，保證安裝順利進行。

5 結論及建議

通過鋼結構煤棚事故倒塌原因的探究，可以得出以下結論：

1)在大跨度結構中采用排架結構時，柱腳節點達到相應剛度時或采取臨時拉結措施，方可進行上部結構安裝；平面承重結構應采取防止連續倒塌措施。

2)平面鋼桁架用于屋蓋承重結構時，應采取可靠的支撐系統，保證其的空間穩定性；受力較大或重要桿件應有足夠的可靠度。

3)跨度較大的托梁應優先選用抗扭剛度較好的箱型截面；當采用工字形截面時，應采取必要的提高其抗扭剛度的措施。

在總結本次事故及類似實例的基礎上，建議如下：

1)建筑設計使用年限短或重要性等級低的建筑物，設計、施工也應重視，保證匹配的可靠度。

2)工程管理涉及項目建設的全過程，除關注造價、工期之外，還有使用功能、質量、耐久性等，需監管部門、建設單位、設計院、施工企業共同重視。