鋼-混凝土組合屋蓋坍塌事故調查與分析*

劉小燕，董三升，雷 拓

(1.陜西建工第八建設集團有限公司，陜西 西安 710068； 2.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061)

0 引言

為滿足建筑功能對于大空間的要求，下部采用鋼筋混凝土結構而上部采用鋼屋蓋(架)的組合結構體系日益普遍。這種結構體系已被大量應用于體育館、機場航站樓、高鐵客運站、工業廠房及頂層需具有大空間的新建或改建建筑中[1-5]，但由于設計、施工等過程中存在某些問題，導致采用此類結構體系的工程安全事故偶有發生[6]。目前，對此類結構體系的計算分析方法主要包括整體建模分析和分離建模分析，對計算模型及構造措施的假設需與實際受力情況相符，這是保證此類結構安全的關鍵。本文結合某鋼筋混凝土框架結構頂部宴會廳鋼-混凝土組合屋蓋坍塌情況，通過現場檢測鑒定、理論計算，對坍塌原因進行分析，以期為該工程的后續加固和其他類似工程坍塌分析提供參考。

1 工程概況

某6層鋼筋混凝土框架結構頂部宴會廳東西長42.0m，南北寬24.30m，建筑面積約1 020m2。采用鋼-混凝土組合屋蓋體系，南北向主鋼梁為3段拼接式變截面實腹鋼梁(共6榀)，主鋼梁兩端與混凝土框架柱采用滑動支座連接，東西向布置HN400×200×8×13次梁。框架柱及現澆屋蓋板混凝土強度等級分別為C45和C30，主、次梁鋼材等級均為Q355B。屋蓋結構平面布置如圖1所示。項目始建于2021年8月，于2021年12月竣工，即將交付使用時屋蓋發生坍塌事故(見圖2)，所幸無人員傷亡。

圖1 屋蓋結構平面布置

圖2 屋蓋坍塌情況

現場勘察初步判定本次坍塌事故是由主鋼梁拼接節點破壞引起的(見圖2c)。為避免可能造成的結構豎向連續坍塌，屋蓋坍塌后及時搭設滿堂腳手架進行臨時支撐，并使用切割機對屋蓋板進行拆除。另外，采用楔形焊接鋼板臨時補強變形較大的主鋼梁拼接節點。

2 檢測鑒定

2.1 材料強度檢測

根據JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》[7]有關要求，采用回彈法檢測框架柱混凝土強度。結果表明，考慮齡期折減后，框架柱混凝土立方體抗壓強度為59.8MPa。

根據GB/T 50344—2019《建筑結構檢測技術標準》[8]有關要求，采用里氏硬度法對鋼梁強度進行無損檢測。結果表明，鋼梁強度滿足設計要求。

根據 GB/T 1231—2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》[9]有關要求，抽取8根高強度螺栓進行抗拉試驗。結果表明，高強度螺栓抗拉強度滿足設計要求。

由此可判定，此次坍塌事故與混凝土柱、鋼梁及高強度螺栓材料強度無關。

2.2 鋼梁變形檢測

2.2.1主鋼梁豎向撓度

原設計中，主鋼梁底標高為33.600m，相對于樓面標高為7.800m。主鋼梁立面布置及關鍵位置梁底相對標高如圖3所示。由圖3可知，主鋼梁明顯下撓，撓度較大處位于③～⑤軸主鋼梁南側(靠近軸)梁段拼接節點，其中下撓最大處位于⑤軸主鋼梁，最大撓度達1.360m。結合現場勘察結果可知，主鋼梁豎向撓度是由拼接節點下部螺栓拉斷破壞后引起主鋼梁剛體轉動造成的。

圖3 主鋼梁立面布置及關鍵位置梁底相對標高

2.2.2主鋼梁平面外撓度

實測①～⑥軸主鋼梁跨中垂直度偏差分別為72，90，60，9，57，108mm，傾斜方向分別為東、東、東、西、西、西。可見，各榀主鋼梁均發生不同程度的平面外傾斜，東、西側主鋼梁傾斜嚴重。④軸主鋼梁平面外變形最小，這是因為④軸主鋼梁變形后，由于次梁和屋蓋板的拉結作用，使其他軸主鋼梁向④軸發生平面外傾斜。

2.3 主鋼梁拼接節點變形

檢測發現，①，⑥軸主鋼梁拼接節點處螺栓未發生松動現象，而②～⑤軸主鋼梁南側拼接節點均開裂(見圖4)，節點下部水平脫開距離分別為420，430，500，480mm，上下錯位最大距離為130mm，拼接節點開裂造成螺栓斷裂、脫落。

圖4 主鋼梁拼接節點破壞情況

2.4 屋蓋荷載

為便于分析事故原因，通過現場取樣，對屋蓋做法與荷載進行檢測，結果如表1所示。現場屋蓋做法(含現澆板)總厚度為227～248mm，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[10]規定的荷載取值，計算得到6個測點荷載平均值為3.80kN/m2，較設計屋蓋做法荷載平均值增加14.5%。

表1 屋蓋做法與荷載

2.5 牛腿、滑動支座變形

本工程①～④軸主鋼梁端部設計為鋼牛腿，⑤，⑥軸屋蓋端部設計為柱頂預埋板。鋼牛腿、柱頂預埋板頂面與滑動支座底板焊接連接，主鋼梁底面與滑動支座蓋板焊接連接。現場勘察發現，鋼牛腿、柱頂預埋板未發生明顯損傷，可排除牛腿引起坍塌事故的可能。②～⑤軸滑動支座可見明顯傾斜，且傾斜方向基本為主鋼梁跨外方向，其中⑤軸支座破壞損傷最嚴重，這是由于支座蓋板連同主鋼梁發生較大的剛體轉動，蓋板外側與支座分離，產生較大的水平推力。①，⑥軸滑動支座未見明顯傾斜，但支座四角立桿均發生明顯變形。主鋼梁滑動支座破壞情況如圖5所示。

圖5 主鋼梁滑動支座破壞情況

3 結構驗算

3.1 計算模型校核

本工程采用混凝土柱-實腹鋼梁結構體系[11-12]，此類結構體系柱腳一般按剛性連接處理，本文對鋼梁與框架柱連接方式與受力特點進行計算分析。

對于混凝土柱-實腹鋼梁結構體系，特別是先施工混凝土柱再施工鋼梁時，混凝土柱與鋼梁剛性連接做法難以實現。原設計將結構計算模型取為門式剛架(見圖6a)，顯然有失偏頗，因僅考慮到排水要求，將鋼梁依據排水坡度做成變截面簡支梁，在豎向荷載作用下混凝土柱頂不存在水平推力，也就不存在“拱效應”。按照本工程屋蓋鋼梁結構布置和支座節點設計做法，結構計算模型應取為排架+滑動支座，如圖6b所示。

圖6 混凝土柱-實腹鋼梁結構體系計算模型

3.2 驗算結果

采用PKPM-V5.1版軟件建立1榀屋蓋計算模型進行分析，原鋼筋混凝土柱截面尺寸為800mm×700mm(長×寬)，柱高7.8m，與原6層框架結構剛接，標高25.800m。主鋼梁按圖3所示尺寸建模，跨度24.8m。依據原設計圖紙及荷載檢測結果，設計屋蓋做法和現場屋蓋做法對應的屋蓋恒荷載分別取為3.32，3.80kN/m2。

鑒于本工程是在屋蓋結構完工后發生的自然坍塌，未涉及地震、大風和其他人為因素，為明確事故原因，計算分析時僅考慮設計屋蓋恒荷載工況和現場屋蓋恒荷載工況，不考慮恒荷載分項系數的影響，主要驗算結果對比如表2所示。由表2可知，現場屋蓋恒荷載工況下，排架+滑動支座、門式剛架計算模型得到的主鋼梁最大應力比分別為0.48，0.28，跨中撓度分別為梁計算長度的1/391，1/800，以門式剛架為模型計算得到的主鋼梁拼接節點彎矩與以排架+滑動支座為模型計算得到的結果偏差較大。綜上所述，可基本排除主鋼梁截面尺寸對坍塌事故的影響。

表2 驗算結果

4 坍塌原因分析

4.1 節點破壞

首先對主鋼梁拼接節點設計情況進行分析，本工程主鋼梁拼接節點采用輕型門式剛架結構中剛架梁常用的高強度螺栓端板連接節點，如圖7所示。其中端板厚度為35mm，加勁肋厚度為16mm，加勁肋外伸寬度為150mm。由驗算結果可知，按門式剛架模型進行主鋼梁拼接節點設計存在較大安全隱患。

圖7 原主鋼梁拼接節點

端板連接方式之所以在門式剛架結構中得到廣泛采用，是由于門式剛架具有梁柱剛性連接的特點，拼接節點內力較小的緣故。本工程主鋼梁實質上屬于簡支的變截面梁，顯然不屬于門式剛架。從理論上講，混凝土柱-實腹鋼梁結構體系中梁-梁拼接也可采用端板連接方式，但由于按排架+滑動支座模型計算得到的主鋼梁拼接節點內力較大，未能完成端板連接節點設計。可見，原設計端板連接節點承載力明顯不足。另外，對于非門式剛架結構，端板連接節點一旦發生破壞，會像本工程拼接節點呈自下而上“解扣子”的破壞現象。因此，可認為主鋼梁采用端板連接方式并不合適，而應采用普通鋼結構中梁-梁剛性連接的拼接節點形式，并按等強度條件進行設計[13]。原主鋼梁拼接節點設計形式與節點計算均存在嚴重問題，這是導致本次事故的直接原因。

4.2 主鋼梁布置與分段問題

本工程主鋼梁采用3段拼接式變截面，梁底相對于樓面標高為7.800m，這種布置與分段方式存在以下問題。

1)找坡困難

本工程變截面主鋼梁高度為1 000～1 400mm，梁頂坡度約為3.2%，由于結構找坡坡度較小(坡度一般取1/20～1/8)，后期屋蓋施工時，再次進行了找坡，這也是造成屋蓋板過厚及超載的主要原因。可采用兩鉸折線拱進行主鋼梁布置，以滿足施工和經濟性要求。

2)主鋼梁起拱困難

GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[14]第3.4.3條及條文說明中對橫向受力構件起拱給出了指導原則和起拱量計算方法。實際工程中，通常要求對于跨度>9m的鋼梁進行起拱[15]。本工程主鋼梁跨度達24.8m，應考慮鋼梁起拱，但施工說明中未提及。按照本工程主鋼梁布置與分段方式，起拱量較大，且起拱難度大。

3)主鋼梁撓度不易控制

本工程采用的梁端滑動支座形式對鋼梁的撓度較敏感，應嚴格控制鋼梁撓度。鋼梁撓度過大，易造成梁兩端發生過大轉角位移，從而引起支座傾斜。

4.3 滑動支座破壞

從現場滑動支座破壞情況看，主要存在以下問題：①原設計采用了兩端滑動支座，這種支座布置方式不合理，應采用一端固定、一端滑動支座；②現場支座形式及原設計圖紙中的支座形式均存在一定問題。因支座設計及施工不合格，主鋼梁下撓后，主鋼梁兩端的轉動引起支座傾斜破壞。對于本工程梁端支座，一端應選用固定球型成品支座，另一端應選用滑動球型成品支座，并根據整體計算結果，按照GB/T 32836—2016《建筑鋼結構球型支座》[16]規定的參數進行選用。

5 結語

1)荷載方面，現場屋蓋做法平均荷載較設計屋蓋做法平均荷載增加約14.5%，可知未嚴格按圖施工造成的超載是坍塌事故的誘因。對于此類跨度較大的屋蓋結構，建議采用壓型彩鋼板等輕質材料。

2)計算模型方面，本工程屋蓋結構采用混凝土柱-實腹鋼梁結構體系。原設計將此類體系按門式剛架進行設計，這是不合適的。在混凝土柱-實腹鋼梁結構體系中，混凝土柱與鋼梁的剛性連接難以實現，故一般按鉸接處理。該問題應在類似新建和改建工程中得到足夠重視。

3)鋼梁拼接節點設計方面，本工程原設計中按門式剛架中梁-梁端板連接方式設計主鋼梁拼接節點存在嚴重缺陷。基于本文計算分析結果，原主鋼梁拼接節點承載力嚴重不足，這也是導致本次坍塌事故的直接原因。鑒于本工程屋蓋主鋼梁與混凝土柱連接達不到剛接要求，加之端部滑動支座的引入，主鋼梁只能按簡支梁考慮。因此，主鋼梁拼接節點應采用剛性連接形式，并按等強度條件進行設計。

4)鋼梁布置與分段方面，本工程主鋼梁由3段變截面梁按統一梁底標高拼接而成，這種布置方式導致結構找坡不足，也造成了材料浪費，且主鋼梁起拱難度較大。因此建議主鋼梁按兩鉸折線拱方式布置，考慮到主鋼梁施工下料長度的限制，可將主鋼梁分成偶數段，以方便下料和起拱。

5)滑動支座方面，本工程滑動支座布置方式有誤，應采用一端固定、一端滑動的方式。另外，支座設計和施工存在問題，造成了主鋼梁梁端支座傾斜破壞。對于本工程主鋼梁梁端支座，一端應選用固定球型成品支座，另一端應選用滑動球型成品支座。