某鋼結構大棚雪載作用下倒塌事故分析

褚 航，褚智超

（1.揚州大學，江蘇 揚州 225000；2.揚州蘇油工程質量檢測有限公司，江蘇 揚州 225000）

0 引言

近年來，隨著我國工業的飛速發展，各地工業廠房數量迅速增加。門式剛架輕型鋼結構是工業廠房中常見的結構形式，因其設計周期短、自重輕、工業化程度高、施工安裝快速等特點被廣泛采用。市場的擴大催生了許多鋼結構公司，由于無序的競爭，在建設過程中出現了不規范的設計、制造、施工等現象，并由此產生了各種缺陷，為結構在后續使用中埋下安全隱患。本文介紹一起鋼結構大棚在雪載作用下的倒塌事故，根據現場破壞情況對事故現場進行調查，結合現場取樣檢測，建立模型計算分析，并對倒塌原因進行深入分析。

1 工程概況

某鋼結構大棚位于揚州市方巷鎮，該結構設計與施工均為同一鋼結構公司完成，設計圖紙未經過圖審，施工資料不齊全。主體結構為單層單跨門式剛架結構（采用圓鋼管柱、圓鋼管焊接的桁架梁），屋面做法為單層彩鋼屋面板+采光板，東西方向跨度為 26.6 m，南北方向每榀剛架之間柱間距為 6.0 m、柱高 6.0 m、棚頂高 6.8 m，總長度為 144 m，共計 25 榀剛架，建筑面積為 3 830 m2（144×26.6=3 830 m2）。揚州地區抗震設防烈度 7 度（0.15g），丙類設防，基本風壓為 0.4 kN/m2，場地粗糙度類別 B 類，10 年一遇雪壓 0.25 kN/m2，50 年一遇雪壓 0.35 kN/m2，對雪荷載敏感的建筑雪壓 0.40 kN/m2。事故照片如圖 1 所示，桁架立面圖如圖2 所示，桁架構件單元劃分如圖3 所示。

圖1 建筑事故照片

圖2 鋼管桁架立面圖

圖3 鋼管桁架構件單元劃分

2 事故原因調查

2.1 事故現場情況

2018 年 1 月 4 日，該鋼結構大棚在積雪荷載作用下發生垮塌。通過對事故現場的調查，發現現場建筑物普遍存在的破壞形式如下：剛架柱基礎預埋件拉拔破壞；柱間支撐彎曲變形；剛架柱與屋面桁架梁連接節點處受力彎拉破壞，拉條失效；鋼管桁架上弦桿與柱頭連接部位失效；剛架柱與桁架連接節點處受力彎拉破壞；桁架梁、檁條部分發生扭曲破壞。

2.2 檢測情況

使用游標卡尺測量剛架柱及桁架系桿的直徑，超聲波測厚儀測量剛架柱、桁架系桿的厚度，所檢剛架柱材質為鍍鋅圓鋼管，材質規格為：柱規格為Φ168×4.0 mm；剛架梁材質為鍍鋅圓鋼管，由上弦桿、下弦桿和腹桿組成，上弦桿規格為 Φ76×3.0 mm，下弦桿規格為 Φ60×3.0 mm，腹桿規格為 Φ48×2.0 mm，桁架梁上下弦管中心距離為 600～680 mm，屋面桁架下拉條鋼筋截面規格為 Φ18 圓鋼。屋面檁條采用卷邊 C形檁條，截面規格為 C140 mm×50 mm×1.8 mm，屋面、柱間支撐截面規格為 L70×5 mm 角鋼。根據對現場截取原材料進行：①斷后伸長率；②抗拉強度；③下屈服強度；④壓扁試驗。試驗結果表明：所檢原材料的相關性能均能滿足國標 Q235 鋼材要求。

現場對柱頂區域進行取樣檢測，根據現場取樣帶焊縫位置為 20/A 柱頂節點桿、6/A-B 柱頂節點下弦桿件，所檢原材料的相關性能正彎、背彎拉伸及彎曲不符合相關標準規定的要求。原材料斷后觀察，焊縫未融透，焊接高度僅為鋼管壁厚的 2/3 左右（見圖 4）。采用著色探傷法檢測鋼管連接焊縫質量，同時采用放大鏡檢查焊縫外觀質量情況，現場桁架梁柱拼接點、未斷裂的梁柱拼接點焊縫質量觀感差，發現表面裂紋、表面氣孔、夾渣等缺陷，焊縫根部未焊透、焊縫未連續施焊，所檢焊縫外觀質量不符合GB 50205－2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》［1］二級焊縫要求。

圖4 焊縫厚度

現場對桁架下弦圓鋼拉條截取 3 根（原材料 1 根，帶焊縫 2 根）進行力學性能試驗，檢測結果表明：原材料強度符合 GB/T 700－2006《碳素結構鋼》［2］中規定的 Q275 鋼材強度要求。原材料雙面焊接的搭接長度 60 mm 不滿足 JGJ 18－2012《鋼筋焊接及驗收規程》［3］中表 4.5.4 中規定的雙面焊 5d（5×18=90 mm）要求。試件斷在焊縫處，不符合 JGJ 18－2012《鋼筋焊接及驗收規程》的要求。檢測數據如表 1 所示。

表1 桁架下弦圓鋼拉條鋼材強度檢測結果

現場取樣上、下弦桿帶焊縫位置為 22/A-B（東下）、22/A-B（中下）22/A-B（西下）下弦桿，22/A-B（東上）、22/A-B（中上）22/A-B（西上）上弦桿，對所檢原材料進行焊接、對接接頭的拉伸性能、冷彎性能檢驗，經檢驗拉伸性能符合 GB 50661－2011《鋼結構焊接規范》［4］標準規定的要求，冷彎性能不符合 GB 50661－2011《鋼結構焊接規范》標準規定的要求。

2.3 氣象調查

根據揚州市氣象局提供的資料，受冷暖氣流共同影響，2018 年 1 月 3 日～1 月 4 日出現暴雪天氣，3 日 20 時～4 日 8 時測得雨雪量為 20.1 mm，4 日 8 時積雪深度為 9 cm。由氣象局資料推算大棚倒塌前的積雪基本情況為：雪容重為 200 kg/m3，積雪深度為 9 cm，折算為屋面雪荷載為 0.18 kN/m2。

3 結構承載力驗算

3.1 計算參數

根據現場的檢測資料及調查資料，為了查找鋼結構雪載下倒塌原因，本次部分計算參數根據 2018 年 1 月 4日實際雪載工況下進行復核，基本參數設置如下所述。

恒荷載：0.1 kN/m2，如圖 5 所示；活荷載 0.18 N/m2（實際雪載，棚頂考慮雪壓不均勻分布），如圖 6 所示；風荷載：0.4 kN/m2，B 類粗糙度；材料自重：78 kN/m2；材料強度：Q235 鋼；桁架間距：6 m；不考慮抗震；剛架自重放大系數：1.1；凈截面與毛截面比值：0.67（考慮對接焊縫施工因素）；恒、活載分項系數分別為 1.3 和 1.5；考慮恒載作用下柱的軸向變形；構件尺寸見 2.2 節。

圖5 恒載分布圖（單位：kN·m-1）

圖6 雪載分布圖（單位：kN·m-1）

3.2 計算結果

根據現場實際布置情況，柱底鉸接，柱頂剛接，結合 GB 50017－2017《鋼結構設計標準》［5］、GB 51022－2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術標準》［6］，采用中國建筑科學研究院研發的復核軟件 PKPM 進行結構承載力驗算。

強度驗算結果顯示：鋼柱在雪載作用下強度應力比為 1.87、1.96 均＞1.00（強度超限）；梁單元構件上弦桿、腹桿、下弦桿在雪載作用下強度應力比最大值為 0.52 均＜ 1.00（滿足要求）。

穩定性計算顯示：鋼柱雪載作用下平面內穩定應力比為 2.56、2.67 均＞1.00（平面內穩定強度超限約 2.5 倍），其中柱單元①長細比超限，柱單元②長細比處于臨界狀態（允許長細比 200）；鋼柱平面外穩定應力比為 1.35、1.45 均＞1.00（平面外穩定強度超限約 1.4 倍）；梁單元構件上弦桿、腹桿、下弦桿在雪載作用下平面內、平面外穩定強度應力比最大值為 0.88 均＜1.00（滿足要求）。

桁架位移計算顯示：桁架跨中最大位移為 307.9 mm＞＞106.4 mm（屋架跨中撓跨限值L/250）。

承載力計算結果如表 2 所示，位移計算結果如表 3 所示，構件單元如圖 3 所示。

表2 單榀剛架承載力計算結果

表3 位移計算結果 mm

4 倒塌原因分析

由計算結果和鋼結構現場倒塌情以及檢測結果綜合判斷，結構倒塌主要分析如下。

根據結構承載力復核計算：鋼柱的強度應力比、穩定強度應力比均超過雪載工況下的應力比，雖然桁架梁桿件承載能力滿足要求，但是整體桁架在恒載+雪載作用下產生的計算撓度值大于允許撓度值。結構倒塌是個動態變化的過程，結構的受力情況及變形情況時刻發生著變化，根據撓度公式，如式（1）所示。

式中：W為跨中最大位移，mm，q為均布線荷載，kN/m，L為跨度，mm，E為彈性模量，N/mm2；I為截面慣性矩，mm4。

桁架梁的跨度、抗彎剛度，均為不變量，隨著雪載q的逐漸增大，桁架梁跨中節點位移W也逐漸增大，桁架的變形使得梁柱剛性節點產生角位移，變形傳遞至梁柱剛性節點，使得節點產生角位移增加。根據承載力驗算結果，鋼柱的平面內穩定強度最弱（鋼柱平面內穩定應力比為 2.56，大于平面外穩定應力比及強度應力比），鋼柱平面內穩定應力最先達到極限，出現鋼柱在平面內失穩，所以出現柱頂發生彎折破壞，從而導致整個鋼結構大棚整體倒塌。

由于梁柱節點焊縫施工質量差，焊縫未焊透，導致鋼柱在柱頂焊接區形成應力集中，并在柱平面內穩定應力達到極限時應力集中區最先發生破壞，破壞形式表現為柱頂彎折、柱頭節點斷裂、焊縫斷裂等。

根據上述倒塌情況分析，總結查找出原因如下所述。

4.1 設計原因

在結構設計時未按照規程選取合適的構件截面尺寸，該鋼柱截面尺寸不能滿足承載力、剛度和穩定性的要求，應選擇直徑、壁厚合理的立柱，鋼桁架選型不滿足變形的要求，宜選擇抗彎剛度大的三角形斷面或梯形斷面，同時鋼桁架也要滿足承載能力、穩定性的要求。

4.2 焊縫質量

該鋼結構上部連接主要為焊縫連接，焊縫質量設計等級為二級焊縫。但在上部結構焊縫施工過程中存在諸多問題：對接焊縫未融透，部分焊縫未滿焊，焊縫表面有裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，焊縫缺陷造成了應力集中，使構件在焊縫部分形成相對薄弱區，加劇結構、構件破壞的風險。

5 結語

本案例是由于鋼結構構件選型、鋼結構焊縫施工質量差造成的雪載下整體倒塌事故，表明桁架結構選型非常重要。為避免形成“強梁弱柱”，在結構設計中應注意桁架梁、柱的剛度協調；桁架結構梁的變形是結構發生破壞的主要誘因，在結構設計中應加強桁架梁變形控制的計算；焊接質量是影響桁架結構安全的重要因素，焊縫施工質量不過關，會使結構在焊縫處形成應力集中，增加結構的內應力，結構在承載時易發生脆性破壞。Q