某廠房鋼結構屋蓋坍塌事故分析與處理

劉明寶，馬 萍，李咀安

（1.山東建筑大學，山東 濟南 250101；2.山東建固特種專業工程有限公司，山東 濟南 250000；3.山東建筑大學鑒定檢測中心有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

與傳統鋼筋混凝土結構相比，鋼結構具有強度高、重量輕、施工周期短、可裝拆等優點，近年來大量應用于高層建筑、大跨度公共建筑、工業廠房（包括輕型鋼屋蓋）［1］。對于高層建筑或大跨度公共建筑，建設人員普遍比較重視，嚴格控制質量，具有較高的安全度，一些中小型工業廠房因為過度追求低成本，往往千方百計地降低用鋼量，加之施工隊伍水平良莠不齊，構件加工及安裝過程中造成大量質量缺陷，由此造成的事故屢見不鮮。統計分析表明，在鋼結構事故中，工業廠房及普通輕型鋼屋蓋所占比例最高，達 53.2 %［2］，這是因為鋼結構在工業廠房和普通輕型鋼屋蓋方面應用最多，因此有必要對此類結構進行深入的分析研究。本文介紹一個典型的廠房鋼結構屋蓋坍塌事故的檢測鑒定、分析及處理實例，通過現場、實驗室檢測和結構驗算，分析事故發生的原因，并從設計、施工、使用等方面提出了避免事故發生的建議。重新設計鋼屋蓋，選擇巖棉夾芯彩鋼板作為屋面板，按照鋼結構設計規范進行指標控制，保證結構安全度。

1 工程概況

山東省某公司車間采用混凝土框排架結構，總建筑面積為 1 330 m2，共兩層，首層采用混凝土框架結構，層高 5.8 m；二層為大空間，軸線尺寸 26 m×24 m，采用鋼結構屋蓋，混凝土柱支承，主梁采用實腹式 H 型鋼制作，跨度 24 m，對稱雙坡，坡度 5 %，柱頂標高 16.30，柱距分別為 5.25 m×2+4.75 m×2+6 m。H 型鋼梁截面尺寸700×300×10×12，采用 Q345 鋼，屋脊處設拼接節點，全螺栓連接，M 20 高強螺栓性能等級 10.9 級；支座節點設置 2M24 地腳錨栓，但未進行明確的構造設計。沿屋脊處設置一道通長系桿，采用φ89×3.5 圓管，系桿與兩側女兒墻墻體相連；2～3 軸間設置水平交叉支撐，采用φ20 圓鋼制作，支撐結構材質均為 Q235 鋼。屋面板選用鋼骨架輕型板，設計屋面做法選用建筑圖集。屋蓋結構平面布置如圖1 所示。

圖1 屋蓋結構平面布置（單位：mm）

該工程建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為 7 度（0.10g），設計地震分組為第三組，建筑場地類別為 II 類，結構抗震設防類別為標準設防類，框架抗震等級為三級，地基基礎設計等級為丙級，結構設計使用年限為 50 年。設計采用基本風壓為 0.45 kN/m2，地面粗糙度 B 類，基本雪壓為 0.35 kN/m2，非上人屋面活荷載0.3 kN/m2（荷載范圍＞60 m2時）。

該車間于 2013 年 3 月完成主體結構的施工，已投入使用多年，2019 年 4 月 3 日晚 8 時許，該建筑物二層鋼結構屋蓋發生整體坍塌，事發時天氣多云、微風，無極端天氣狀況。

2 現場破壞形態

現場勘察發現，所有鋼梁均從柱頂混凝土牛腿支座處脫離墜落，所有鋼梁支座處地腳錨栓均被剪斷（見圖2）；柱頭混凝土保護層不同程度損壞（見圖3），混凝土柱身未見明顯異常；鋼梁墜落后，除東側 1 榀鋼梁（5 軸）外，其余 3 榀鋼梁的屋脊拼接節點均已完全脫開，高強螺栓多數已缺失，端板外伸部分彎折變形（見圖4）；現場所有鋼梁基本保持平直狀態，未發現鋼梁出現側彎、扭曲、翹曲等現象，如圖5 所示。

圖2 支座處地腳錨栓剪斷

圖3 柱頭混凝土保護層損壞

圖5 鋼梁外觀

3 現場檢測

3.1 結構布置

屋面鋼梁布置及水平支撐設置與設計相符，該水平支撐結構布置不完整，交叉支撐與鋼梁交接處缺少剛性系桿，圓鋼交叉支撐張緊時，沒有受壓系桿承擔交叉支撐的水平分力，支撐系統不但不能為鋼梁提供有效的側向約束，還將造成鋼梁平面外受拉，降低鋼梁的整體穩定承載。采用激光測距儀及鋼卷尺對鋼結構布置進行測量，鋼梁跨度、柱距等與設計相符。

3.2 構件截面尺寸

采用鋼尺、游標卡尺及金屬測厚儀對屋面鋼梁、剛性系桿、水平支撐的截面尺寸進行檢測，結果表明構件截面尺寸偏差能夠滿足 GB 50205－2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》［3］及相關材料標準的要求，符合設計要求。

3.3 連接構造

檢查鋼梁屋脊的節點構造，5 軸鋼梁下翼緣連接端板處發生端板撕裂破壞，上翼緣節點處尚有1個高強螺栓相連，其余鋼梁屋脊節點均已分離，大多數節點處高強螺栓已破壞脫落（見圖6），節點連接用高強螺栓性能等級為 8.8 級，與設計圖紙中 10.9 級不符，部分螺栓墊片設置不符合 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》的規定，個別螺栓單側墊圈數目多達 5 個。其余構造如螺栓布置、螺栓數目、節點板尺寸等與設計相符。

圖6 破壞的高強螺栓

支座處預埋鋼板未設置錨筋與設計圖紙不符。根據現場調查復原支座構造如圖7 所示，鋼梁支座底板與柱頭間懸空，鋼梁與墊板間、墊板與預埋鋼板間均未可靠連接，鋼梁支座與混凝土柱不能緊密接觸，支座構造不能保證鋼梁與混凝土柱可靠連接。

圖7 支座構造復原

3.4 焊縫質量

對鋼梁焊縫進行檢查，未發現焊縫表面有明顯氣孔、夾渣等外觀質量缺陷。采用超聲波探傷儀對鋼梁與端板連接焊縫進行無損檢測，未發現焊縫內部存在未焊透、未熔合等缺陷，焊縫質量滿足 GB 50205－2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》的要求。

3.5 屋面建筑做法

按照建筑專業圖紙，屋面建筑做法由內到外依次為①鋼骨架輕型板；②20 mm 厚 1∶3 水泥砂漿找平層；③1.2mm 厚聚氨酯防水涂料隔汽層；④最薄 30 mm 厚 LC5.0 輕集料混凝土 2 % 找坡層；⑤60 mm 厚硬質聚氨酯泡沫塑料；⑥20 mm 厚 1∶3 水泥砂漿找平層；⑦聚氯乙烯防水卷材；⑧10 mm 厚低標號砂漿隔離層；⑨20 mm 厚 1∶3 水泥砂漿面層。

根據現場調查，屋面實際建筑做法與圖紙不符，由內到外依次為：①鋼骨架輕型板；②30 mm 厚水泥砂漿找平層；③單層防水薄膜；④5 mm 厚水泥砂漿保護層。現場提取一塊較完整的鋼骨架輕型板屋面后，對鋼骨架輕型板及建筑面層分別稱重并除以板的面積，得到板的恒荷載代表值，稱重結果明細如表1 所示。

表1 稱重結果明細

4 鋼材材性試驗

分別在坍塌屋蓋鋼梁的翼板、腹板上現場取樣，加工成標準試樣后，在萬能試驗機上進行鋼材力學性能試驗；采用直讀光譜儀對鋼板進行材質化學分析。試驗結果表明：①鋼材屈服強度、抗拉強度均不滿足 Q345 鋼的要求，但能滿足 Q235 鋼的要求；②鋼材化學元素含量結果符合 Q235 鋼的要求。

5 結構驗算分析

因結構設計說明中無屋面恒荷載信息，無法判斷原結構模型輸入是否與建筑做法一致，故屋面恒荷載以現場實際稱重結果為準，屋面計算時應考慮支撐系桿的自重，屋面恒荷載取值 1.37+0.03=1.40 kN/m2。

針對事故可能的原因，考慮圖紙要求、支座約束條件、現場實測數據和材料試驗結果等要素設計了三種工況，按照原圖紙設計時的相關規范 GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》［4］、GB 50017－2003《鋼結構設計規范》［5］和 CECS 102∶2002（2012 版）《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》［6］，對屋蓋鋼梁進行建模驗算分析，計算軟件選用中國建筑科學研究院建研科技股份有限公司編制的 PKPM 系列軟件。

5.1 工況一：支座約束按混凝土柱實際剛度計算確定

鋼梁為 H700×300×10×12，Q345 鋼；高強螺栓性能等級 10.9 級。

二層混凝土柱高 10.5 m，柱截面尺寸 500 mm× 500 mm，設計強度等級 C30，柱側向剛度為 0.186 kN/mm，支座的水平約束可忽略不計，鋼梁支座約束條件可取為豎向固定、水平釋放。

計算結果表明，按圖紙設計條件下，原設計屋面鋼梁：① 鋼梁應力比超限，最大應力比為 1.26，超限幅度26 %；② 鋼梁跨中撓度為 215.6 mm＞L/250=96 mm（鋼梁跨度L=24 m），遠超規范限值；③ 屋脊拼接節點高強螺栓設置應為 12 個 M30，原圖紙設置為 10 個 M 20，高強螺栓數量及規格均不足；節點板厚度應為 28 mm，原圖紙設置為 16 mm，節點板厚度不足；因此節點承載力不滿足規范要求。

5.2 工況二：支座約束按固定鉸支座考慮

按圖紙設計條件計算得到的計算結果超限情況令人驚訝，調查發現，設計人員并沒有意識到主鋼梁設計存在問題，進一步分析表明，設計時極有可能采用了錯誤的支座約束條件。

將工況一的支座約束改為三向固定鉸支，重新進行驗算。計算結果表明，在這種條件下，原設計屋面鋼梁承載力、變形、節點構造是滿足規范要求的。在這種約束條件下，鋼梁對支座的反力是巨大的，不但對支座設計有很高的要求，對支承混凝土柱的側向剛度也有很高的要求。如此細長的混凝土柱要提供如此大的反力時其水平變形量是以米計的，鋼梁將以發生不適宜承載的過大變形而破壞。可見這種這種錯誤的假定約束條件造成了結構安全的假象。

5.3 工況三：支座約束按混凝土柱實際剛度計算確定

綜合鋼材力學性能試驗和鋼材材質化學分析試驗的結果，鋼梁實際采用的鋼材強度等級為 Q235，取fy=215 N/mm2，高強螺栓性能等級為 8.8 級。事故發生時無異常天氣狀況，活荷載不計。

計算結果表明，按實際檢測結果驗算，原設計屋面鋼梁：①鋼梁應力比超限，最大應力比為 1.47，超限幅度 47 %；②鋼梁跨中撓度為 165.4 mm＞L/250=96 mm，遠超規范限值；③屋脊拼接節點高強螺栓設置應為 12 個 M30，原圖紙設置為 10 個 M20，高強螺栓數量及規格均不足；節點板厚度應為 28 mm，原圖紙設置為 16 mm，節點板厚度不足；因此節點承載力不滿足規范要求。

6 坍塌原因分析

計算分析結果表明，主鋼梁結構設計時沒有考慮與下部支承結構的共同作用，支座約束條件選用錯誤，造成原設計圖紙鋼梁強度、剛度及屋脊節點承載力均不滿足設計規范要求，結構安全度嚴重不足；屋面支撐體系設置不合理，不能為鋼梁提供穩定的支撐作用。

現場檢測及材料試驗結果表明，現場實際安裝的鋼梁材料強度等級及高強螺栓的性能等級均低于設計文件的要求，高強螺栓連接副墊片設置不合理，材料、構配件、連接構造等方面的質量缺陷進一步降低了屋蓋結構的安全度。

坍塌后鋼梁較為平直、完整的外形表明鋼梁本身未發生失穩破壞；由鋼梁支座約束條件可知，鋼梁端部所受支座約束很小，即支座地腳錨栓所受水平力較小，鋼梁支座錨栓不會首先破壞；因此可以認為，鋼梁在屋脊連接節點首先發生了破壞。

在屋面較大的荷載作用下，鋼梁發生并一直保持著嚴重超限的豎向變形，由于屋脊拼接節點承載力嚴重不足，節點區域的應力集中及各種缺陷的長期存在，使節點承載力不斷降低，在外伸端板處高強螺栓超過自身的極限承載力后失效，屋脊節點斷裂，鋼梁沿強軸方向發生彎折破壞墜落，鋼骨架輕型板隨之墜落、拉拽其余鋼梁依次破壞，進而引起鋼結構屋面整體坍塌。

7 對事故的思考

7.1 節點連接

本工程屋蓋鋼梁采用實腹式 H 型鋼截面，屋脊節點連接采用端板外伸式高強螺栓連接，該節點形式大量應用于 20 世紀九十年代末開始大量推廣的輕型門式剛架結構，該結構連接節點受力時存在微小轉動，屬半剛性節點，要滿足剛接的計算假定，有明確的的適用條件，協會標準 CECS 102∶2002（2012 版）《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》及國家標準 GB 51022－2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》［7］均指出，輕型房屋屋面板適合采用壓型鋼板，即控制屋面恒荷載值。2012 年修訂的協會標準及2015 年開始實施的國家標準均對輕型門式剛架結構節點剛度做出了明確要求，目的是保證連接節點的剛度，使計算假定與實際條件相符，避免過大屋面荷載使節點變形影響結構承載。

常用壓型鋼板屋面重量因構造、板厚、填充物容重等而異，恒荷載標準值范圍（0.2～0.5）kN/m2，屋面活荷載標準值在主梁計算時取 0.3 kN/m2，檁條計算時取 0.5 kN/m2，恒荷載與活荷載之比約為 0.5～1.5。本工程選用的鋼骨架輕型板建筑做法按原設計統計重量達到了 2.4 kN/m2，為活荷載取值的 8 倍，即使按照現場實際稱重的統計值 1.4 N/m2，與活荷載的比值也達到了 4.6 倍，不再是輕鋼屋面，已經不適合采用此節點形式，換言之，當選用這種連接形式時就為結構安全埋下了隱患。

7.2 支座約束

鋼梁起坡后，在屋面荷載、自重等豎向荷載作用下對下部支承混凝土柱產生水平推力，混凝土柱抵抗鋼梁的水平變形趨勢，因此應該考慮鋼梁與下部支撐結構的協同工作。考慮屋蓋設計有時是獨立進行的，實踐中往往會簡化計算，可將邊界條件作為彈性約束，根據支承結構的支承形式、數量、支撐點處沿坐標系三個方向的剛度確定邊界條件，這樣可以近似地看作考慮了鋼梁與下部結構間的共同工作。這樣處理計算結果比較符合實際，計算工作量也不大。

JGJ 7－2010《空間網格結構技術規程》［8］對網架與下部結構的協同工作及邊界約束條件提出了明確要求，此原則也同樣適用于采用下部支承結構的鋼結構屋蓋。目前的結構分析電算程序種類齊全，功能也比較豐富，也可將鋼梁與下部支承結構作為一個整體進行計算分析。

7.3 使用安全

工況三使用階段的計算結果表明，在實際荷載工況下，主鋼梁撓度為 165 mm（L/145），遠大于設計規范變形允許值 96 mm（L/250）；按 GB 51008－2016《高聳與復雜鋼結構檢測與鑒定標準》［9］，主鋼梁以過大變形評定的安全性等級為 du 級，即危及安全，必須及時采取措施。從坍塌后鋼梁的端板變形情況判斷，屋脊拼接節點外伸端板均已發生了明顯的彎折變形。

在基于建筑物全生命周期房屋安全管理制度中，使用階段是房屋安全管理的重要一環，也是時間延續最長的階段，但據調查，我國既有建筑的使用和維護現狀不容樂觀，普遍存在重建設輕維護的現象。本案例中的鋼梁發生的過大的撓度、節點異常變形是長期存在的，如果有效實施了建筑物使用安全管理制度，以上異常現象完全可以早發現早處理，從而避免整體坍塌事故。

8 結構處理

8.1 鋼結構屋蓋

坍塌后的鋼結構屋蓋已無法使用，應重新設計更換，基于原結構設計在體系選擇、支座約束條件等存在的問題，新設計選用實腹式 H 型鋼梁加巖棉夾芯彩鋼板屋面的方案，按混凝土實際剛度確定支座約束進行主鋼梁結構計算，完善了支座節點構造，屋面支撐系統設計時，在兩個柱開間內設置水平支撐系統，保證鋼梁的整體穩定，系桿采用φ114×3.5 圓管，水平支撐采用φ20圓鋼。新屋蓋結構平面布置如圖8 所示，支座節點如圖9 所示。

圖8 新屋蓋結構平面布置（單位：mm）

圖9 支座節點（單位：mm）

8.2 支承混凝土結構

鋼結構屋蓋坍塌時墜落在二層混凝土樓面上，沖擊造成部分構件破損。經檢測，5～9/E～G 軸線區域混凝土板底存在不規則裂縫，部分板底混凝土破損脫落，鋼筋彎折；5～9/E 軸混凝土梁側面存在斜裂縫，裂縫寬度約為 1 mm。對破損的樓板采取置換混凝土加固法處理，新澆筑混凝土強度等級提高一級；對混凝土梁裂縫采用壓力注漿法處理，并采用粘貼鋼板法補強。

鋼結構屋蓋墜落時拉拽混凝土柱頭，造成柱頭混凝土脫落，結合后期新屋蓋預埋的要求，對混凝土柱頭采取置換混凝土加固法處理。

9 結語

本文對使用階段坍塌的某廠房鋼結構屋蓋進行了現場檢測和鑒定分析，對相關設計及使用安全問題進行思考，重新設計了鋼屋蓋，并對坍塌造成的構件損傷進行了加固處理，通過分析，可得到如下結論。

1）鋼結構設計既不是深奧莫測，也不是任何人都可以從事的工作。設計人員應該具有力學概念，系統地進行結構體系和結構知識學習，具備獨立進行驗算的能力，不能完全依賴電算程序，選擇的計算模型必須與實際情況相符。

2）鋼骨架輕型板屋面建筑做法相比輕鋼屋面自重大，對拼接節點剛度有較高要求，鋼屋蓋結構設計不宜選用輕型門式剛架結構的端板拼接節點。與之對應，選擇端板拼接節點時則不宜選用鋼骨架輕型板屋面，建議選用彩鋼板屋面。

3）計算分析結果表明，結構設計人員支座約束條件選用錯誤，造成原設計圖紙鋼梁承載力（包括節點承載力）、變形均不滿足設計規范要求，結構安全度嚴重不足，是導致事故發生的主要原因；屋面支撐體系設置不合理，不能為鋼梁提供穩定的支撐作用，不符合規范要求。

4）現場檢測及材料試驗結果表明，現場實際安裝的鋼梁材料強度等級及高強螺栓的性能等級均低于設計要求，高強螺栓連接副墊片設置不合理，材料、構配件、連接構造等方面的質量缺陷進一步降低了屋蓋結構的安全度，也是造成坍塌事故的重要原因。

5）應加強房屋使用安全管理，建立正常的檢查、維護、維修管理制度，定期對房屋進行安全評估，必要時進行結構安全性鑒定，發現問題及時處理，確保房屋安全。Q