暴雪后门式刚架轻型房屋钢结构厂房的事故分析与处理-

1、工程事故分析暴雪后门式刚架轻型房屋钢结构厂房的事故分析与处理3胡宗文1王元清1石永久1刘明2(11清华大学土木工程系,北京100084;21沈阳建筑大学土木工程学院,沈阳110168摘要:2007年3月初东北地区遭遇罕见暴雪,造成大量轻钢结构工程事故,有必要进行总结反思。针对某门式刚架轻钢工业厂房的事故进行较全面的分析,介绍结构损坏情况及鉴定结果,总结事故原因,同时提出修复加固处理方案。分析得出:包括北方地区女儿墙和南侧附房导致的堆雪作用以及清雪过程出现的次生灾害等是造成事故的主要原因,进而对当前轻钢结构设计提出建议。关键词:轻钢结构;门式刚架;堆雪荷载;女儿墙;清雪ANA LYSIS AN

2、D TREATMENT OF ACCI DENT IN MI LL BUI LDING S OFLIGHT 2WEIGHT STEE L STRUCTURE WITH PORTA L FRAME AFTER SN OWSTOR MHu Z ong wen 1Wang Y uanqing 1Shi Y ongjiu 1Liu M ing2(11Department of Civil Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;21School of Civil Engineering ,Shenyang Jianzhu Univ

3、ersity ,Shenyang 110168,China Abstract :In early March of 2007,the northeast region in China encountered an unusual snowstorm ,which caused a large number of light 2weight steel structure engineering accidents.I t is necessary to summarize and intruspect.An overall analysis on a certain mill buildin

4、g of light 2weight steel structure with portal frame.I t is introduced the damage condition and appraisal result ,and summarized the accident causes ,m oreover ,it is als o described the scheme of strengthening and rehabilitation.The paper comes to the conclusion that accumulated snow effect of para

5、pet and s outhern attached building in N orth area and secondary disasters produced in the process of snow cleaning are the causes ,s o as to give suggestions on the current design of light 2weight steel structures.K eyw ords :light 2weight steel structure ;portal frame ;accumulated snow load ;parap

6、et ;snow cleaning3“十一五”国家科技支撑计划课题资助项目(N o.2006BA J03A02-1。第一作者:胡宗文,男,1985年2月出生,硕士研究生。E -mail :kenshinhu 收稿日期:2008-12-10轻钢结构具有自重轻、施工速度快、造价低等优点,目前正大规模地应用于民用及工业建筑中。然而,轻钢结构自身的超载能力差,遇到罕遇荷载时容易出现事故。同时,我国北方地区气象环境条件相对恶劣,冬季的风雪作用影响较大。正如2007年3月初,在中国东北地区降下了50年一遇的罕见暴雪。这次暴雪,造成了一场灾难,数以百计的轻钢结构工程都遭到了不同程度的破坏。这样的雪灾,无疑又

7、为中国的结构工程,尤其是轻钢结构领域,敲响了警钟。本文针对某门式刚架轻钢工业厂房的事故进行较全面的分析,介绍结构损坏情况及鉴定结果,总结事故原因,进而对当前轻钢结构设计提出建议。1暴雪灾难概况2007年3月35日,极其罕见的暴雪、大风、寒潮、暴雨、风暴潮降临到中国东北地区。其中辽宁省大部分地区出现自1951年有完整气象记录以来最严重的暴雪和大风天气过程,最大降雪量78mm ;最大积雪深度44cm 。气象评估此次暴雪天气为一级暴雪灾害,属最严重级别。受此影响,全省遭受重大损失,总经济损失达14519亿元,死亡13人,涉及农业、工业、建筑、人民日常生活等方方面面1。其中,对于我们最为关心的轻型房屋

8、钢结构来说,整个辽宁省有92家企业的300多处钢结构厂房遭到不同程度的损坏,仅沈阳市就有100多处厂房遭受类似的损坏情况,包括采用门式刚架或拱形屋盖等结构体系。特别指出的是,采用拱形屋盖的钢结构受损较为严重(沈阳市皇姑区明廉农贸大厅3个拱形顶棚全部坍塌,造成1人死亡,7人受伤。021Industrial C onstruction V ol 139,N o 17,2009工业建筑2009年第39卷第7期2轻钢结构厂房事故原因分析这次事故之后,根据调查研究表明,一般来说,绝大多数厂房在结构设计方面满足规范要求。部分轻钢结构厂房出现事故的原因可以简单概括为以下几点:1降雪量本身过大和局部积雪过厚。

9、50年一遇的暴雪荷载已经超出当时设计规范的要求,以及建筑外形等原因造成了局部积雪厚度过大。当然,这在某种程度上也可以理解为结构设计安全度的问题。2清理屋面积雪措施不当,产生意外的附加荷载,造成事故。3融雪后排水不畅。水融入尚未融化的积雪中,使局部雪容重增大,同样导致超载。其中后面两条就是雪灾后的次生灾害。据统计,相当数量的厂房事故就是属于这种次生灾害事故,而这种原因却往往被忽略。当然也有部分事故是由于厂房在设计和施工过程中存在着隐患。3事故实例分析311工程概况沈阳市某集团维修车间轻钢主厂房,建筑面积为10700m2,建筑总高度为1314m,其剖面图及平面图如图1、图2 。图1建筑剖面Fig.

10、1The section view of building 1屋面塌陷;2屋面变形明显;3混凝土附房部分图2建筑平面(屋面塌陷分布Fig.2The plan view of building(distribution of roof collapse轻钢部分采用单层多跨双坡焊接工形截面门式刚架钢结构承重的结构体系,平面尺寸为147m×72m,共有7跨,8个柱距,每跨为21m,柱距9m;屋面采用薄壁型钢C型檩条上铺双层压型钢板保温屋面,坡度为3%。需要特别指出的是,该厂房设置高114m的女儿墙,厂方南侧紧靠在高于厂房较多的混凝土附房上。这两点对这次事故产生的影响,后面会有分析。312损

11、坏情况结构局部损坏,部分承重构件发生严重变形(图3。该厂房建筑物的边跨(µµ与M轴间屋面变形明显,特别是|µ与LM轴间、µµ与LM轴间、µ µ与DE轴间的三处屋面塌陷。檩条屈曲,钢柱上部弯曲破坏。山墙产生明显的侧弯变形。其余部分建筑物在雪荷载作用下,各承重结构构件发生了不同程度的变形,但未观察到由于基础不均匀沉降以及由此引起的明显结构变形。屋面塌陷区域如图2所示。实际上,其中大部分的结构变形是雪灾后清理积雪和融雪过程中产生的 。a屋面塌陷变形;b檩条屈曲丧失承载力;c钢柱弯曲破坏;d外山墙侧向弯曲变形图3结构破坏情况Fig.

12、3S tructure damage condition313现场检测鉴定31311事故后雪载实测情况暴雪当日24h平均降水量达到49mm,特别是风力也达到78级,造成屋面积雪分布不均匀。2d后对屋面积雪分布进行测量,南侧靠近附房处最大积雪深度950mm,测量积雪分布见图4,实测雪容重平均值为290Nm3。31312破坏情况鉴定本次屋面坍塌的3个单位柱网,主要位于屋面南北侧与附房相连处以及端部山墙、女儿墙处积雪较深部位,该部位雪荷载超载,檩条应力超过钢材屈服强度,进入塑流阶段,导致周边梁扭曲,个别柱的上柱弯曲,造成局部屋面塌陷,属自然灾害引起的破坏。31313原设计及施工情况鉴定原设计是按87

13、规范设计2,雪荷载标准值为0140kNm2。 11剖面距轴1310m;22剖面距轴2510m注:等间距标准为5000mm。图4积雪分布(根据实测实际描绘,剖面见图2dm Fig.4Accumulated snow distribution(based on actual measurement经现场核查,实际厂房结构基本与原设计相符,结构和支撑布置合理,结构形式选型正确,传力路线合理,结构构造和连接可靠。钢结构支撑长细比满足G B J14490工业厂房可靠性鉴定标准3第41113条中a级评定的标准。主要钢结构构件节点处焊缝外形均匀、成形较好,焊缝与金属间过渡较平滑,焊渣和飞溅物基本清除干净,焊

14、缝外观质量较好,特别是局部屋面塌陷后,节点连接均未发生拉断(脱开破坏,材料未发生脆断,结构构造和连接可靠,施工质量较好。31314灾后钢结构构件变形检测鉴定屋面檩条变形除屋面塌陷3个单位柱网的屋面檩条变形较大外,其余部位檩条变形最大值为42mm,满足G B J 144903第41414条中檩条变形L150(60mm的要求。外墙墙架柱(M-19、M-21、M-22及刚架柱(M-20、M-23侧弯变形大,实测柱顶位移值大于CECS10220024中规定H180的限值的要求,其余受检钢柱满足设计要求。在屋面塌陷3个单位柱网的周边钢梁除6根明显产生扭转变形和破坏外,其余梁测量的垂直挠度值符合CECS

15、10220024中规定L180的限值的要求。314事故原因分析检测的结果说明,该工程在设计和施工方面并没有问题,结论定为自然灾害引起的破坏。然而,这种自然灾害造成的事故中必然存在着人为的影响,而这种影响,正是我们所关心的。基于此,该工程事故的原因绝不仅仅在于降雪量,而是下面几点的共同作用:150年一遇的暴雪荷载(015kNm2已经超出当时设计规范的要求(014kNm22。这一点在现有规范G B5000920015(2006版中已经得到了解决,设计荷载值已经有所提高。2由于本工程高女儿墙与附房形成的高低屋面(北方地区的南侧附房具有明显的堆雪作用,使雪荷载分布完全变化,堆雪荷载已被严重放大。局部荷

16、载甚至已放大了3倍,分布系数达到了410,远远超出了规范中的规定(规范规定的积雪分布系数在12范围内。这一点必须要引起我们足够的重视。3清理积雪时,一开始组织不当,全民动员毫无顾忌地来到屋面上清雪,包括一些器械。这样,就突然增大了屋面的荷载值。尽管轻钢结构屋面在设计时考虑了检修人员的荷载,但实际每根檩条承受的荷载只相当于一个人。因此,众多工作人员不能做到分散站位,无组织的集中站在某些位置,必然增加了未考虑在内的集中荷载,造成屋面局部人员和设备的超载。同时,清雪工序不当,按先屋脊后屋檐的顺序清雪,形成连续梁的隔跨影响,进一步加大了屋面结构的变形。当然,经设计纠正,后来采用了合理有序的方法进行清雪

17、处理。4清雪过程中采用一些设备来进行融雪处理,被融化的雪水从屋脊向屋檐方向流动,由于屋面天沟冻结,排水孔也尚未解冻,造成排水不畅,水不能快速排走。结果是,水融入屋檐处的积雪,使雪的容重显著增大6(数据表明:天然雪的容重为15002000Nm3,而融水后容重达到5000 7000Nm3。局部雪荷载在融雪过程中的增大,进一步加大屋面结构的变形,如果不进行处理,就势必影响相邻结构的安全。后经过设计协调,在下陷严重的西南角和东南角局部将屋面开孔,用高压水枪将融雪和积水排出,这种方法非常行之有效。315事故后厂房的修复加固处理事故发生后,会同业主方和施工单位提出了3套修复加固方案,并最终选择最合理的一套

18、方案施工,力求在厂房内不停产的情况下进行施工,具体要求和做法如下:1修复加固处理依据应按新的荷载规范,并考虑现场积雪分布(见图5 。图5积雪分布(分析后建议设计时采用的雪荷载分布图Fig.5Accumulated snow distribution(snow load distributiongraph suggested for design after analysis2先修复事故下陷和变形严重的部位,更换受损梁柱、檩条、支撑和抗风柱。3在积雪荷载较大位置,揭去屋面外板(保留内板,以不影响厂内生产,更换和增加檩条。4对变形小的和融雪后恢复变形的部位,考虑现场实测荷载,只进行局部的加固处理,

19、如增设系杆和隅撑以缩短受压构件的长细比,保证其整体稳定。总之,在最大限度不影响厂房内生产的情况下对厂房进行修复加固处理,使其能承受当时或更大的暴雪荷载作用。4结论和建议1建筑外形。对于中国北方轻钢结构,女儿墙应考虑得221工业建筑2009年第39卷第7期更为全面一些,如:放置溢流孔;将女儿墙下面做成百叶窗式可以排风减少积重;把女儿墙做得很弱,当遇到暴风雪时,会被直接吹倒以达到卸荷的目的;把女儿墙尽量做得矮一些;尽可能在迎风区不做女儿墙,直接避免积雪。其次,在设计屋面时要尽可能考虑减少因高低跨造成的堆雪作用。另外,针对北方多北风的气象特征,在设计时务必尽量避免南侧附房的存在,相反,北侧附房则会相

20、对有利。2天沟。天沟冻结排水不畅会造成雪容重急剧增加。因此设计时要采取相应的措施,如:对于采暖建筑,在内天沟处设较薄的保温材料(相对于屋面其他部分,从而使室内热量加速天沟内冰雪的融化;或天沟不设保温,在天沟上涂防冷凝涂料;或在内天沟内设置加热片或加热管6。3结构设计。刚架的破坏时常是屋面檩条破坏后拖拽刚架而造成的,并非刚架自身强度不够。屋面板和檩条是保证刚架面外稳定的重要体系。因此,对于轻钢结构厂房,要严格保证屋面体系的安全稳定,例如对可能积雪的区域做加强设计(檩条加密、加强等(尽管规范中没有这方面的规定。条件允许的话可采用避雪的新工艺,如特殊喷涂不沾雪的钢板等,以减少堆雪7。4规范。规范在堆

21、雪荷载方面考虑得并不够全面。笔者认为,规范中北方地区的轻钢结构雪荷载计算应对堆雪荷载做特别的处理。例如:较大幅度提高高低跨屋面形式(特别是针对南向高屋面的不均匀积雪分布系数,如可能堆雪区域,根据本工程,数值要达到24,甚至更高;对于高女儿墙,规范中也应作出类似其他结构形式的积雪分布说明,提出相应的分布系数。5雪后处理。清雪过程要合理,屋面上的清雪人员要有组织地分散站位。融雪时要保证排水孔的绝对通畅(可以人为疏通排水孔,使雪水能迅速排走。可采用融雪的新设备,如温水喷撒装置等7,提高融雪效率及质量。对此,我们要引起足够的重视,要积极开展屋面清雪的技术学习,做好现场监督,做到科学清雪。参考文献1辽宁省气象台.2007年3月气象灾害公报E B.http:w w w.weather contentfulltext.asp?id=730,2007-04-12.2G B J987建筑结构荷载规范S.3G B J144-90工业厂房可靠性鉴定标准S.4CECS1022002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程S.5G B500092001建筑结构荷载规范S.6路军,罗广宇1多脊和带女儿墙轻钢建筑在设计中应注意的问题J.钢结构