某學(xué)校風(fēng)雨操場(chǎng)屋面網(wǎng)架整體坍塌事故原因分析

樓 昕，王鳳平

（1.山東省建筑科學(xué)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2. 山東三箭房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于在加工、施工、造價(jià)方面的優(yōu)勢(shì)，越來越廣泛地應(yīng)用于大跨度結(jié)構(gòu)中。但是，近幾年來，很多網(wǎng)架工程由于忽視了設(shè)計(jì)、制作、安裝、施工等方面的問題，很多事故因此發(fā)生［1-3］，造成了生命和財(cái)產(chǎn)的損失，應(yīng)引起人們的高度重視。

1 工程概述

某學(xué)校風(fēng)雨操場(chǎng)東西向長(zhǎng)度 53.1 m，南北向長(zhǎng)度28.5 m。主體結(jié)構(gòu)為 C 30 混凝土框架梁、柱、網(wǎng)架混合結(jié)構(gòu)，局部有夾層，夾層高度 4.8 m，屋頂高 11.25 m。該工程為在建工程。2017 年 6 月 1 日 18 時(shí) 30 分許，屋面施工時(shí)發(fā)生坍塌事故。屋面網(wǎng)架坍塌現(xiàn)場(chǎng)如圖 1 所示。

圖1 屋面網(wǎng)架坍塌現(xiàn)場(chǎng)

2 事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2.1 初步調(diào)查情況

該工程屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用螺栓球節(jié)點(diǎn)形式，正放四角錐體系，上弦支撐。原設(shè)計(jì)圖紙中網(wǎng)架設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值［4］為：上弦靜荷載 2.0 kN/m2，下弦靜荷載 0.5 kN/m2，上弦活荷載 0.5 kN/m2，基本風(fēng)壓值 0.45 kN/m2，基本雪壓值 0.35 kN/m2。

該工程于 2017 年 3 月中旬開始安裝網(wǎng)架，4、5 月間完成屋面防水。

2.2 屋面破壞狀況

經(jīng)了解，坍塌前 5～6 軸間有 9 名施工人員，正自東向西澆筑屋面保護(hù)層混凝土，施工時(shí)采用塔吊吊料斗向屋面均布混凝土料的方式，隨卸混凝土隨抹平，每料斗混凝土約 800～900 kg，坍塌時(shí)澆筑至 1/5 軸附近，如圖 2 所示。

圖2 屋面示意圖（單位：mm）

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)屋面坍塌為網(wǎng)架整體坍塌，網(wǎng)架跨中位置基本為豎向墜落，支座附近的桿件和節(jié)點(diǎn)墜落過程中向跨中方向有所偏移。絕大多數(shù)網(wǎng)架支座已墜落（見圖 3）。現(xiàn)場(chǎng)清除屋面板以上材料，網(wǎng)架 4～6 軸三處下弦桿均在跨中附近拉斷，斷開位置均為桿件與錐頭焊縫處（見圖 4）。部分螺栓球螺栓破壞，造成部分桿件散落附近（見圖 5）。

圖3 支座（包含柱頂預(yù)埋鋼筋和鋼板）與混凝土柱整體脫離

圖4 網(wǎng)架桿管材與錐頭脫開

圖5 節(jié)點(diǎn)螺栓斷裂或拉脫

2.3 屋面做法情況

屋面做法最初為結(jié)構(gòu)找坡，后改為材料找坡。原設(shè)計(jì)做法、圖紙會(huì)審屋面做法（見表 1）、施工方案屋面做法（見表 2）、屋面實(shí)際做法（見表 3）如下。

1）原設(shè)計(jì)做法。屋面設(shè)計(jì)做法最初為結(jié)構(gòu)找坡，利用檁托長(zhǎng)度的變化調(diào)節(jié)屋面坡度。按圖紙要求，屋面采用混凝土輕型屋面板屋面 09CJ20，附加 40 厚擠塑聚苯保溫板。

2）圖紙會(huì)審屋面做法。屋面板選用圖集 09CJ20 第9 頁 GW J2727-2，屋面做法改為：按 L13J1 屋面105-1F1-70B 施工。圖集 L13J1 中屋面 105-1F1-70B 的做法如表 1 所示。

表1 圖紙會(huì)審屋面做法 mm

3）施工方案屋面做法。2017 年 2 月～3 月加工網(wǎng)架時(shí)，檁托高度為根據(jù)螺栓球高度找平。2017 年 3 月中旬開始網(wǎng)架及屋面施工，屋面板安裝后屋面無坡度。提供的施工方案中屋面做法如表 2 所示。

表2 施工方案屋面做法 mm

4）屋面實(shí)際做法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，屋面實(shí)際做法如表 3 所示。

表3 屋面實(shí)際做法 mm

3 驗(yàn)算和分析

3.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算

屋面做法最初為結(jié)構(gòu)找坡，后改為材料找坡。屋面做法分別按原設(shè)計(jì)做法、會(huì)審屋面做法（見表 1）、施工方案屋面做法（見表 2）、屋面實(shí)際做法（見表 3）四種工況，計(jì)算時(shí)考慮了通風(fēng)口荷載，其余參數(shù)均按原設(shè)計(jì)，采用 3D3S 軟件對(duì)網(wǎng)架進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算［5-6］，部分計(jì)算結(jié)果如圖 9～圖 17 所示。

圖6 下弦強(qiáng)度應(yīng)力比（最大值 1.110）

圖7 上弦穩(wěn)定應(yīng)力比（最大值 1.120）

圖8 腹桿穩(wěn)定應(yīng)力比（最大值 1.038）

圖9 下弦強(qiáng)度應(yīng)力比（最大值 1.252）

圖10 上弦穩(wěn)定應(yīng)力比（最大值 1.265）

圖11 腹桿穩(wěn)定應(yīng)力比（最大值 1.174）

圖12 下弦強(qiáng)度應(yīng)力比（最大值 1.041）

圖13 上弦穩(wěn)定應(yīng)力比（最大值 1.188）

1）工況一，按原設(shè)計(jì)做法。圖紙最初設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)找坡，屋面上弦靜荷載（恒荷載）為 2.0 kN/m2，下弦靜荷載（恒荷載）為 0.5 kN/m2，上弦活荷載為 0.5 kN/m2。經(jīng)驗(yàn)算，網(wǎng)架各桿件的強(qiáng)度應(yīng)力比和穩(wěn)定應(yīng)力比均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2）工況二，按圖紙會(huì)審屋面做法（見表 1）進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，網(wǎng)架中存在較多構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)力比或穩(wěn)定應(yīng)力比超限。部分驗(yàn)算結(jié)果如圖 6～圖 8 所示。

圖14 腹桿穩(wěn)定應(yīng)力比（最大值 1.038）

3）工況三，按施工方案屋面做法（見表 2）進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，網(wǎng)架中存在較多構(gòu)件的強(qiáng)度應(yīng)力比或穩(wěn)定應(yīng)力比超限。部分驗(yàn)算結(jié)果如圖 9～圖 11 所示。

4）工況四，按實(shí)際屋面做法（見表 3）進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)未計(jì)入下弦靜荷載（恒荷載）0.5 kN/m2和上弦活荷載 0.5 kN/m2，5～6 軸間計(jì)入 9 名施工人員及工具荷載（人均 0.8 kN）并均布到兩軸間，屋面板自重按實(shí)測(cè)值考慮。

本工況計(jì)算時(shí)不再考慮荷載組合分項(xiàng)系數(shù)。

驗(yàn)算結(jié)果表明，網(wǎng)架中桿件開始出現(xiàn)強(qiáng)度應(yīng)力比或穩(wěn)定應(yīng)力比超限的情況。部分驗(yàn)算結(jié)果如圖 12～圖 14 所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

工況一中網(wǎng)架各桿件的強(qiáng)度應(yīng)力比和穩(wěn)定應(yīng)力比均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

在二、三工況下，均有部分下弦桿（軸心受拉構(gòu)件）強(qiáng)度應(yīng)力比＞1.0，不能滿足 GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第 5.1.1 條的要求；均有部分上弦桿、腹桿等受壓構(gòu)件穩(wěn)定應(yīng)力比＞1.0，不能滿足 GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第 5.1.2 條的要求。

第四工況中有少量桿件不能滿足 GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中強(qiáng)度或穩(wěn)定性的要求，分析后認(rèn)為該部分桿件首先發(fā)生破壞，由此將帶來鄰近桿件連鎖破壞，從而造成屋面的坍塌。

綜上所述，該工程圖紙會(huì)審屋面做法（見表 1）、施工方案屋面做法（見表 2）和實(shí)際屋面做法（見表 3）三種工況的荷載值均不能滿足設(shè)計(jì)圖紙中上弦靜荷載（恒荷載）標(biāo)準(zhǔn)值 2.0 kN/m2的要求；三種工況下，網(wǎng)架均有部分桿件不能滿足 GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于構(gòu)件強(qiáng)度或穩(wěn)定性方面的要求，個(gè)別桿件發(fā)生破壞后將引起連鎖反應(yīng)并引起屋面坍塌。

4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)檢測(cè)和檢查結(jié)果

4.1 網(wǎng)架材料質(zhì)量

對(duì) 5 軸及附近網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座、管材、螺栓球、螺栓、檁條等材料進(jìn)行檢測(cè)、檢查和試驗(yàn)，管材主要力學(xué)性能中屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度滿足 GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求，斷后伸長(zhǎng)率試驗(yàn)結(jié)果不滿足 GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求，但考慮到結(jié)構(gòu)各組件已經(jīng)歷非正常受力過程，材料性能已發(fā)生變化，所以該結(jié)果不能作為材料質(zhì)量的判定依據(jù)。

檢查管材與錐頭間連接焊縫存在質(zhì)量缺陷，綜合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力和破壞狀況進(jìn)行分析，該質(zhì)量缺陷在桿件中形成薄弱點(diǎn)，對(duì)屋面坍塌有一定的不利影響。

4.2 網(wǎng)架安裝質(zhì)量

對(duì) 5 軸及附近網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座安裝、節(jié)點(diǎn)安裝、檁條安裝等施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和檢查，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)存在部分支座安裝偏差過大和支座焊縫缺陷等施工質(zhì)量缺陷。綜合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力和破壞狀況進(jìn)行分析，該質(zhì)量缺陷將影響網(wǎng)架桿件的應(yīng)力分布，對(duì)屋面坍塌有一定的不利影響。

5 結(jié)論

經(jīng)綜合分析，某學(xué)校風(fēng)雨操場(chǎng)屋面坍塌的主要原因如下。

1）圖紙會(huì)審屋面做法、實(shí)際施工屋面做法的荷載值均明顯超出網(wǎng)架原設(shè)計(jì)允許荷載值，兩種做法均會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)架中部分桿件的強(qiáng)度或穩(wěn)定性不能滿足 GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

2）網(wǎng)架焊接質(zhì)量缺陷、網(wǎng)架安裝質(zhì)量缺陷等對(duì)屋面坍塌亦有一定的不利影響。