某大跨度鋼膜結構體育場垮塌原因分析

宋 娟，張 訓，馮建洲，羅國波

（1.貴陽市工程設計質量監督站，貴州 貴陽 550000；2.貴州中建建筑科研設計院有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

大跨度空間結構具有空間跨度大、建筑形體塑造自由、能源損耗抵及施工周期短等優點，因而被廣泛應用于體育場館等公共設施領域［1，2］。由于大跨度空間結構屬于高次超靜定結構，建筑結構構成方式復雜、構件眾多、構件形狀規格復雜，從而導致結構構件受力也比較復雜［3］。大跨度空間結構的跨度和平面尺寸都較大，風荷載、雪荷載均會對結構安全產生顯著影響［4］。譬如 2007 年降雪和大風的聯合作用導致溫哥華體育場穹頂坍塌；2009 年河南干河市場大棚在大雪中倒塌等。由大風、大雪引起的大量災害實例表明，風荷載和雪荷載對于空間結構的重要性是不言而喻的。周峰等［5］研究了溫度荷載和雪荷載對國家游泳中心（“水立方”）的影響，結果表明雪荷載對空間結構影響是不可忽略的。

大跨度空間結構施工期間對桿件組裝、拼裝、焊接都有很高的質量要求，組裝、拼裝或焊接質量未達標，會造成個別桿件或節點受力難以滿足要求，從而引起建筑局部或整體失穩，給建筑物安全埋下隱患。劉訓良［6］在某體育場看臺垮塌事故分析中指出，柱腳螺栓規格錯誤使用，節點處焊縫漏焊、少焊等缺陷，成為事故發生時柱腳螺栓松動變形、節點破壞、桿件脫落的主要原因。

1 工程概況

某體育場鋼膜結構棚頂工程，修建于 2018 年，面積 2 435 m2，抗震設防烈度為 6 度，鋼結構設計使用年限為 50 年，膜材設計使用年限為 15 年以上，基礎采用獨立柱基礎。2022 年初大雪，該鋼膜結構頂棚局部出現垮塌，如圖 1 所示，垮塌面積約 800 m2，垮塌后鋼膜結構屋面出現局部松弛、積水等問題。

圖1 垮塌后的圖片

2 事故原因分析

2.1 現場檢測結果

現場檢測發現建筑存在以下問題：①建筑個別軸線尺寸與設計值不相符，最大偏差為 25 mm，不滿足規范要求；②鋼柱對接焊縫及焊縫附近區域內發現有焊縫孔洞、焊瘤、虛焊、焊縫錯位、咬邊等缺陷；鋼柱防腐涂層出現脫落，涂層脫落處鋼柱存在銹蝕現象；③部分系桿螺栓存在缺失現象；④部分鋼柱垂直度大于規范偏差允許值（H/1 000且≤25 mm），最大垂直度偏差為 69 mm；⑤系桿對接焊縫缺陷顯示長度為桿件厚度的 4～6 倍，對接焊縫內部缺陷超標。

2.2 建筑結構安全性驗算復核

本文采用鋼結構計算分析軟件對建筑設計模型及現場實際工程受力情況進行計算分析，所有鋼柱底部均采用固支方式進行約束，材料參數如表 1 所示，計算模型如圖 2 所示。

表1 材料參數

2.2.1 建筑結構原設計安全性驗算復核

根據現場檢測結果，鋼結構桿件尺寸、強度等參數與原設計圖紙相符，故直接對原設計模型進行驗算復核，經復核計算發現，原設計模型存在以下問題。

圖2 計算模型及單元編號

1）建筑結構體系設計存在缺陷。結構模型及施工圖均未設置柱間支撐，建筑結構體系存在缺陷。

2）結構計算和假定與實際不符。原設計模型中顯示平面內桿件計算長度為 10 m，實際平面內梁跨度為 41.41 m，且柱構件計算長度也存在與實際不相符的問題，梁柱構件計算長度取值均不滿足 GB 50017－2017《鋼結構設計標準》要求。

3）計算模型中構件截面取值偏于冒險。建筑設計構件采用變截面焊接H型鋼，構件跨中截面高度為 400 mm，支座截面高度為 1 200 mm 及 1 050 mm。而在計算模型簡化中，簡單將結構構件等效為 H400～400×350×8×12、H500～500×350×8×12、H600～600×350×8×12、H700～700×350×8×12、H800～800×350×8×12、H900～900×350×8×12 的等 截 面 H 型 鋼 及 H 9 0 0～10 5 0×35 0×8×1 2、H900～1050×350×8×12 變截面 H 型鋼代替，未充分考慮到變截面構件剛度變化的連續性，計算模型中構件截面取值較實際施工圖簡化偏于冒險。

4）原設計中風荷載取值考慮不全面。根據 CECS 158：2015《膜結構技術規程》5.3.2 條，骨架式支撐模型風振系數可取 1.2～1.5，而計算模型里取值為 0.00，即風荷載計算時未考慮風振系數，且風荷載體型系數取值為-1.0 缺乏依據。

5）構件開洞截面削弱后未采取補強措施。根據相關規范要求，鋼構件腹板開孔孔徑大于梁高三分之一時，應采取相應的措施進行補強處理，本工程鋼構件最大開孔孔徑為 600 mm＞1 200 mm/3=400 mm，施工圖中未見補強處理措施。

6）獨立柱基礎復核不滿足規范要求。原設計中，地基承載力取值為fa=210 kPa，根據現場實測數據進行復核，pkmax=2481.21 kPa>1.2×fa=252.00 kPa，地基最大承載力不滿足要求。

7）柱腳連接節點不滿足規范要求。根據柱腳節點反力及施工圖柱腳節點大樣進行復核計算，經復核，柱腳底板厚度、預埋錨栓直徑，柱腳加勁板等均不滿足要求。

8）鋼結構復核不滿足規范要求。本模型根據原設計參數對該建筑的受力情況進行分析，模型中涉及 Q235 材料參數如表 1 所示，計算模型簡圖如圖 2 所示，荷載類型及大小如表 2 所示，計算結果圖 3～圖 6 所示。

表2 荷載取值參數

圖3 繞 2 軸整體穩定應力比分布圖

圖4 繞 3 軸整體穩定應力比分布圖

圖5 按“繞 2 軸長細比”顯示構件顏色

圖6 按“繞 3 軸長細比”顯示構件顏色

繞 2 軸整體穩定應力比計算結果如圖 3 所示，網架中存在整體穩定應力比超限的桿件，整體穩定應力比最大值為 2.91，整體穩定應力比值位于 1.00～2.91 的桿件有 43 根，占總數 20.3 %，超過相關規范允許值，整體穩定應力比值位于 0.90～1.00 的桿件有 9 根，占總數 4.2 %，整體穩定應力比值位于 0.70～0.90 的桿件有 22 根，占總數 10.4 %，整體穩定應力比值位于 0.50～0.70 的桿件有 33 根，占總數 15.6 %，整體穩定應力值未超過 0.5 的桿件有 105 根，占總數 49.5 %。繞 3 軸整體穩定應力比計算結果如圖 4 所示，網架中存在整體穩定應力比超限的桿件，整體穩定應力比最大值為 1.30，整體穩定應力比值位于 1.00～1.30 的桿件有 20 根，占總數 9.4 %，超過相關規范允許值，整體穩定應力比值位于 0.90～1.00 的桿件有 5 根，占總數 2.4 %，整體穩定應力比值位于0 .70～0.90 的桿件有 30 根，占總數 14.2 %，整體穩定應力比值位于 0.50～0.70 的桿件有 55 根，占總數 25.9 %，整體穩定應力比值未超過 0.5 桿件有 102 根，占總數 48.1 %。繞 2 軸長細比和繞 3 軸長細比計算結果如圖 5、圖 6 所示，從圖中可以看出，網架中存在長細比超限的桿件，其中繞 2 軸長細比最大值為 259，繞 3 軸計算長細比最大值為 243。綜上所述，原設計存在整體穩定應力比及長細比超限的桿件，建筑安全性不滿足要求。

2.2.2 建筑結構現場安全性驗算復核

根據檢測結果，按照 GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》并結合降雪情況，取雪荷載 0.25 kN/m2進行驗算。鋼柱支座全部采用固支，計算模型如圖 2 所示，荷載類型及大小如表 3 所示。

繞 2 軸整體穩定應力比計算結果如圖 7 所示，網架中存在整體穩定應力比超限的桿件，整體穩定應力比最大值為 2.64，整體穩定應力比值位于 1.00～2.64 的桿件有 42 根，占總數 19.8 %，超過相關規范允許值，整體穩定應力比值位于 0.90～1.00 的桿件有 1 根，占總數 0.5 %，整體穩定應力比值位于 0.70～0.90 的桿件有 14 根，占總數 6.6 %，整體穩定應力比值位于 0.50～0.70 的桿件有 45 根，占總數 21.2 %，整體穩定應力比值未超過 0.5 桿件有 110 根，占總數 51.9 %。繞 3 軸整體穩定應力比計算結果如圖 8 所示，網架中存在整體穩定應力比超限的桿件，整體穩定應力比最大值為 1.12，整體穩定應力比值位于 1.00～1.12 的桿件有 10 根，占總數 4.7 %，超過相關規范允許值，整體穩定應力比值位于 0.90～1.00 的桿件有 10 根，占總數 4.7 %，整體穩定應力比值位于 0.70～0.90 的桿件有 20 根，占總數 9.4 %，整體穩定應力比值位于 0.50～0.70 的桿件有 52 根，占總數 24.5 %，整體穩定應力比值未超過 0.5 桿件有 120 根，占總數 56.6 %；繞 2 軸長細比和繞 3 軸長細比計算結果如圖 9、圖 10 所示，從圖中可以看出，網架中存在長細比超限的桿件，其中繞 2 軸長細比最大值為 259，繞 3 軸計算長細比最大值為 243。綜上所述，原設計存在整體穩定應力比及長細比超限的桿件，建筑安全性不滿足要求。

表3 荷載取值參數

圖7 繞 2 軸整體穩定應力比分布圖

圖8 繞 3 軸整體穩定應力比分布圖

圖10 按“繞 3 軸長細比”顯示構件顏色

2.3 建筑結構垮塌原因分析

本文采用現場檢測與軟件模擬分析相結合的方法，對該大跨度鋼膜結構體育場垮塌原因進行分析，結果表明，造成該鋼架垮塌的主要原因為網架屋面雪荷載較大，屋面局部有積水、積雪情況，荷載分布不均，局部荷載超過允許限值，導致部分桿件的穩定應力比超限，從而引起局部彎扭失穩，導致局部垮塌；建筑結構設計瑕疵及施工質量缺陷為導致網架發生垮塌次要原因，當網架局部產生彎扭失穩時，鋼柱焊縫處節點斷裂，進一步造成網架局部垮塌。

3 結語

大跨度空間結構已然成為當今建筑中重要的結構形式之一，在設計初期應充分考慮風荷載、雪荷載等極端天氣對結構安全性的影響，設計模型簡化應更加接近工程實際情況，不可隨意對模型參數進行簡化，導致計算模型與實際工程相差較大。施工質量的控制對建筑結構安全影響也是極為顯著的，施工過程中應嚴格按照設計圖紙施工，將誤差控制在規范允許范圍內，確保工程安全。Q