钢结构工程倒塌事故原因分析与鉴定.docx

钢结构工程倒塌事故原因分析与鉴定伟1 , 宋显锐2钱(1. 河南省建筑科学研究院 ,河南 郑州 450053 ; 2. 河南省建筑职业技术学院 ,河南 郑州 450002) 摘要 钢结构具有施工方便 、快捷等优点 ,因此在工业厂房及体育场馆等大型公共建筑中应用较多 。但随着钢结构工程的增多 ,近年来钢结构工程事故有逐步增多趋势 。通过具体的钢结构工程倒塌事故的检测 、鉴定 ,从设计 、 施工 、原材料控制等方面对倒塌工程的事故原因进行了分析 ,并结合钢结构自身的特点 ,从设计 、施工等多方面对 近年来钢结构事故的主要原因进行了分析 、总结 ,为防止事故的发生提出了相关建议 。 关键词 建筑结构 ; 钢结构 ; 倒塌 ; 鉴定 中图分类号 tu74613 文献标识码 a 文章编号 100228498 (2009) 1020033204analysis on colla pse accidents of steel structural engineeringqia n wei1 , so ng xia nrui2(1. henan provincial academy of b uilding research , zhengzhou , henan 450053 , china ;2. henan vocational college of architectural technology , zhengzhou , henan 450002 , china)abstract : the steel structure is adopted in many industrial buildings and public buildings for its advantages of easy and fast construction , but the accidents of steel structure gradually increased in recent years. based on the examination and appraisal of three steel structures collapsed , authors analyze the design , construction and material of the steel structures in order to find the causes of the accidents. moreover , some measures are proposed for avoiding accidents.key words : building structure ; steel structure ; collapse ; appraisal钢结构具有施工方便、快捷等特点 ,近年来在工业厂房、大型公共建筑、体育场馆中采用较多。但是 , 由 于对钢结构认识上的不足 ,特别是在钢结构设计、施工上存在较多误区 , 导致近年来钢结构工程事故的发生 有上升趋势。且由于钢结构自身的特点 , 稳定性不如 传统的砌体、混凝土结构 ,在雪荷载及风荷载的作用下容易出现倒塌事故 ,近几年在春、秋季及冬季发生了多 起钢结构倒塌事故。本文通过对三起钢结构倒塌事故 工程从设计、施工、原材料控制等方面的分析 , 对事故原因进行了总结 , 并对避免类似倒塌事故的发生提出 了相关防范措施。1 工程概况111 工程一某厂区内 3 栋结构形式基本一致的钢结构门式刚 架 ,跨度 30m , 柱距 6m , 长度 72m , 建筑面积均为2 250 m2 。设计基准期 50 年 ,建筑高度 121250m ,防火设计建筑分类为二类 , 耐火等级为二级。非承重外墙采用100mm 厚玻璃棉夹芯压型钢板 ,屋面采用夹芯板 ,保温 层为 100mm 厚玻璃棉。建筑的重要性及安全等级为丙类二级 , 抗 震 设 防 烈 度 为 6 度 , 地 震 分 组 为 第 二 组采用 c15 混 凝 土 , 其 余 为 c30 混 凝 土 , 钢 筋 采 用hpb235 、hrb335 级钢筋。刚架采用 1019 级大六角头 摩擦型高强螺栓连接 ,地脚螺栓采用 q345b 钢 ,其它锚栓为 q235 钢。该工程在钢柱、钢梁吊装基本完成时 ,遭遇暴风雨 天气 ,3 栋钢结构厂房相继沿刚架平面外整体倒塌。112 工程二某学校干煤棚为单层钢结构 , 跨度 2517m , 柱距7m。采用弧形彩钢屋面 , 弧形轻钢屋架 , 薄壁槽钢檩 条 ,钢管柱 ,混凝土独立基础。屋架上弦设有水平横向 支撑 ,屋架间设有纵向支撑 ,柱间设有纵向支撑。该工程安全等级为二级 ,抗震设防类别为丙类 ,设计基准期 为 50 年。抗震设防烈度为 7 度 ,设计基本地震加速度 为 0110 g , 设计地震分组为第一组 , 场地类别为 类 ,基本风压为 0145kpa , 地面粗糙度为 b 类 , 基本雪压为013kpa 。该工程在建成 6 个月后 , 在雪荷载作用下屋架发 生坍塌 ,并引起钢管柱折断。113 工程三某学校体育馆为 3 层框架结构 , 顶部采用正放四2(0105 g) ,基本风压 0135knm ,b 类地面粗糙度 , 基本雪压 0145knm2 。该工程屋面恒荷载为 013knm2 ( 包括 收稿日期 2009206210 作者简介 钱 伟 ,河南省建筑科学研究院高级工程师 ,博士 ,一级注册结构工程师 , 河南省郑州市丰乐路 4 号 450053 , 电话 , e2mail : qwei - 2002 sohu. com2屋面板及檩条自重) , 屋面活荷载为 0150knm 。垫层施工技术第 38 卷34角锥碳钢螺栓球网架 , 建筑总高度为 20110m , 总长度6914m ,总宽度 5614m ,建筑面积13 520m2 。该工程安全 等级为二级 , 抗震设防类别为丙类 , 设计基准期为 50 年。抗震设防烈度为 7 度 , 设计基本地震加速度为0110 g ,设计地震分组为第一组 ,场地类别为 类 ,基本 风压 为 0140kpa , 地 面 粗 糙 度 为 b 级 , 基 本 雪 压 为013kpa 。钢 网 架 为 下 弦 支 撑 , 上 弦 荷 载 : 静 载 0140knm2 ,活载 0170knm2 ;下弦荷载 : 静载 0120knm2 。螺 栓球 材 料 45 号 , 杆 件 q235 。最 大 杆 件 内 力 34613- 39018kn 。最大挠度 - 19011mm。该工程在竣工 1 年多以后 , 遭受狂风并夹杂暴雨 冰雹天气 ,致使钢网架顶棚由北向南掀起大部分 ,飞落至西边 100 多米远的停车场。2 现场检测与鉴定211 工程一21111 现场基本情况调查根据对工程现场的勘察 ,3 栋厂房的基础已经全 部施工完毕 ,其中 2 栋厂房的钢柱、钢梁、纵向水平系 杆全部安装就位 ,另一厂房水平系杆尚未安装就位。3 栋厂房的柱间支撑、屋面支撑、屋面檩条、屋面拉条、抗风柱均未安装。在事故现场均发现有已断裂的 8 14 钢丝绳用于临时固定钢架。根据现场情况 ,厂房倒 塌均沿着刚架平面外方向 , 钢柱、钢梁扭曲变形( 见图1) ,钢筋混凝土独立基础混凝土破坏( 见图 2) 。21113 气象资料根据当地气象局提供的气象资料 , 当日的最高温 度 3117 ,最大风速 1510ms , 风向为西南 , 降水量为1914mm。按照建筑结构荷载规范gb5000922001 的相 关条文 ,该风速下的换算风压为 0114knm2 。21114 事故原因分析根据该工程的检测结果 , 当日最大风速产生的风 压远小于当地的基本风压值 , 而且厂房围护结构尚未 安装 ,受风面积较小 ,可排除所承受风荷载超过工程设计值的原因 ,且该工程所用材料的尺寸规格、混凝土强度等级均满足设计要求 ,可排除用材不当的原因。 从倒塌厂房的构件安装情况看 ,钢柱、钢梁及水平系杆基本安装完毕 ,但柱间斜向支撑尚未安装 ,且此时 柱脚底板与基础顶面间尚有空隙 ,二次浇筑尚未完成 , 因此钢柱在刚架平面外抵抗侧向弯矩能力较小 , 在遭 遇侧向( 平面外) 大风时 ,刚架结构沿平面外倒塌 ,虽然结构上设有缆风绳 , 但从现场情况看 , 缆风绳已经破坏 ,其提供的抗侧力有限 ,未能阻止结构的倒塌。 而根据门式刚架轻型 房 屋 钢 结 构 技 术 规 程cecs1022002 第 81215 条 , 刚架结构构件的安装顺序宜先从靠近山墙的有柱间支撑的 2 榀刚架开始 , 在刚 架安装完毕后应将其间的檩条、支撑、隅撑等全部安装 好 ,并检查后以此为起点 , 向房屋的另一端顺序安装。这 3 栋厂房正是由于未按照相关标准要求 , 采取了错误的安装顺序而导致了事故的发生。212 工程二21211 工程情况调查根据现场调查 , 整个钢结构除轴 处的 1 榀屋架 外 ,其它屋架均已塌落损坏。屋架下弦大部分拉杆和部分上弦支撑拉杆已拉脱 , 屋架从中部拼接位置处撕 开 ,个别钢管柱已折断 ,大部分钢管柱出现程度不同的变形 ,个别柱根出现松脱现象 ,弧形彩钢屋面已严重变 形( 见图 3) 。21212 检测结果根据鉴定要求及现场情况 , 对该钢结构工程的结 构布置、材料性能等进行了相关检测 ,具体情况如下。1) 结构布置 现场对钢结构柱、屋架和檩条等的 定位尺寸、构件设置等进行了测量 ,并与设计图纸进行 了比对 ,检测结果符合原设计图纸要求。2) 构件规格现场分别抽检了檩条、屋架弦杆、腹杆和下弦拉杆、纵向和横向支撑杆件及钢柱杆件的截 面尺寸 ,结果符合设计图纸要求。3) 焊缝质量 现场对焊缝的质量进行了抽查 , 未 发现焊缝有裂纹、焊瘤、夹渣及明显的漏焊等缺陷。4) 力学性能现场取样对屋架下弦拉杆和支撑拉图 1 厂房倒塌照片fig. 1 collapse of steel structures图 2 独立基础破坏照片fig. 2 destruction of the single2foundation21112 检测结果现场对钢筋混凝土独立基础的混凝土强度 ,钢柱、 钢梁的尺寸规格等进行检测 : 独立柱基础尺寸基 础顶为矩形截面 550mm 550mm ,符合设计要求 ; 柱基础混凝土强度 混凝土强度均达到 30mpa , 符合设计要求 ; 地脚螺栓 螺栓规格为 m24 ,地脚螺栓间距 为 200 、240mm ,符合设计要求 ; 钢柱截面 采用变截 面焊接工字形截面 , 截面尺寸为 300mm ( 380 930) mm 10mm 8mm , 符合设计要求 ; 钢梁截面 采用 变截面焊接工字形截面 , 截面尺寸为 300mm ( 730 964) mm 10mm 6mm , 符合设计要求 ; 钢柱与钢梁 采用高强度螺栓连接 , 连接完好 , 未发现破坏现象 ; 独立柱基础顶面与钢柱之间的二次浇筑尚未完成。钱 伟等 :钢结构工程倒塌事故原因分析与鉴定2009 no . 1035杆材料的力学性能进行了检验 , 所检杆件的力学性能指标符合规范要求。5) 连接性能 对各类构件之间的连接方式、性能 等进行了检查 , 主要构件之间采用焊接或螺栓连接方 式 ,未发现失效现象 ; 屋架下弦拉杆采用法兰螺栓连 接 ,螺栓与拉杆采用弯钩连接( 见图 4) ,部分弯钩已经 拉直 ,连接失效。1) 结构形式从该钢网架工程的结构形式看 , 采用了正放四角锥螺栓球网架 , 但在网架周边焊接有倒 四棱台造型钢结构 ,从其体形特征来看 ,对承受风荷载 较为不利 ,在结构设计时应合理考虑结构的体形系数 及风荷载。2) 周边环境调查 该体育馆地势为北低南高 , 南 侧地面与体育场馆二层室内地面基本持平 , 北侧为田 径场 ,田径场的地坪标高比体育馆的一层室内地坪低214m 左右。田径场与其看台在体育馆的北边形成 “凹”字形的山谷口状地形。在田径场的北边距体育馆约 200m 处为一个深沟 , 深约为 40m ,宽约为 30 40m ,并向东北方向延伸 , 体育馆向北方视野范围内基本无 高大建筑物或山体。在田径场北侧深沟处原设置有钢丝网围栏 ,在经历该次大风后 ,钢丝网围栏大面积向南倾斜 ,检测时部分围栏已经完全伏倒至地面。因此 ,从周边环境看 ,该体育馆所处地形使得其承 受了较大的风荷载 ,而且从周边围栏的倒伏情况看 ,当 日风荷载确实较大。在调查中还了解到 , 该体育馆北 侧大门在事故当天被风吹开 ,形成了“穿堂风”,进一步 增大了钢网架承受的风荷载。3) 杆件尺寸 对该网架杆件的长度、直径、壁厚等 进行了检测 ,所抽检的杆件尺寸满足设计要求。4) 混凝土强度对网架支座处混凝土强度进行了抽检 ,所抽检构件混凝土强度满足设计要求。5) 连接情况检测 根据结构破坏的形式 , 对钢网 架支座处的连接情况进行重点检测。从现场的情况来 看 ,网架北侧预埋钢板完好 ,支座处钢板与预埋钢板之间以及螺栓球与支座之间的焊接存在漏焊等质量缺 陷。从破坏情况看 , 大部分支座节点的破坏位于支座 钢板与预埋钢板之间 ,部分预埋钢板上甚至看不到焊缝的痕迹 , 部分钢板上混 凝土尚未清理 ; 少部分支 座节点破坏位于螺栓球与支座焊接处 ( 见图 6) , 而且预埋钢板与支座之 间的焊缝尺寸设计也不图 4 下弦杆连接破坏照片fig. 4 connection failure of the bottom chord bar图 3 干煤棚倒塌照片fig. 3 collapse of dry coal shed6) 雪荷载调查根据对屋面及周边位置积雪深度测量的结果并结合雪荷载容重推算 , 发生倒塌事故时 积雪荷载尚未超过当地基本雪压 013knm2 。21213 事故原因分析根据现场情况 , 初步怀疑事故原因是在雪荷载作 用下 ,屋架下弦拉杆连接失效造成。为了进一步证实 ,现场收集未破坏( 弯钩完好) 的法兰螺栓 , 并截取部分拉杆进行了组合件实验室抗拉性能试验。试验结果显 示 ,弯钩的极限拉力平均值为 3117kn ,远小于拉杆设计强度相应的拉力值 7918kn 。因此 , 根据试验结果及现场情况分析认为 , 由于屋架下弦杆采用的连接方式缺 陷 ,使得屋架在雪荷载作用下 ,下弦杆连接失效而导致了倒塌事故的发生。213 工程三21311工程情况调查 该工程钢网架为正放四角锥碳钢螺栓球网架 , 在网架的四周采用钢结构焊接有悬挑 414m 左右的倒四棱台斜立面造型。现场 调查发现 , 体育馆钢网架从体育馆北端向南面掀 起 , 2 2 p 2l轴间的钢 网架全部掀起 , 在 2 2l2j轴线间折断 , 飞 落图 6 网架支座连接破坏照片fig. 6 connection failure of the supports符合国家相关标准的要求。21313气象资料图 5 钢网架倒塌照片fig. 5 collapse of steel space truss至 体 育 馆 南 边 约 112m处 ,钢网架破坏照片如图5 所示。21312检测结果根据当地气象局提供的气象资料 , 当日该地区出现雷雨大风天气 , 极大风速达 1511ms ( 市区测定) , 降 雨量达 3117mm ,冰雹最大直径 2mm。21314事故原因分析根据检测结果 , 该网架工程倒塌事故主要有以下 因素 : 该工程所处的特殊地理位置、屋面特有的倒四根据鉴定要求及现场情况 , 对该钢网架工程的结构布置、周边环境等进行了相关调查、检测 , 具体情况 如下。施工技术第 38 卷36棱台造型使得该钢网架承受了较大的风荷载 , 在设计中是否充分地考虑了不利风荷载的影响还无法直接查 证 ,但是设计图纸中钢网架支座钢板与预埋钢板之间 的焊缝尺寸明显偏小 ,不满足标准要求 ; 该钢网架工 程部分支座的焊缝连接存在明显缺陷 , 部分支座连接 有漏焊现象 ,部分螺栓球与支座连接焊缝也存在明显 缺陷 ,这些都严重影响了网架在负压风荷载作用下的 结构安全。正是在这些因素的影响下 , 在出现恶劣天 气时发生了钢网架破坏事故。3 事故原因总结从以上几起钢结构工程倒塌事故中可以看出 , 钢 结构工程事故的发生与其设计、施工等均有一定关系 , 也与钢结构工程的特点密不可分。钢结构工程具有重 量较轻、结构布置灵活、施工快捷等优点 , 但同时也应 意识到钢结构具有容易失稳、连接或单个构件失效易 发生连锁反应等特点。综合以上事例以及近年来发生 的钢结构事故 ,对其可能的事故原因总结如下。1) 荷载组合考虑不全面 受传统混凝土结构、砌 体结构的影响 , 对钢结构的工况考虑不全面。如本文中工程三 ,钢网架作为屋面 , 由于其造型较为特殊 , 可 能承受向上的负压风荷载 ,而且体育场馆内部空旷 ,当门窗开启时 ,可能受“穿堂风”的影响进一步加大了钢 网架向上的风荷载 , 而在该工程中对钢网架支座焊缝 交代不清楚 ,明显未充分考虑这种不利风荷载的影响。2) 连接失效 从钢结构的特点看 , 连接在结构中 占有重要位置 ,在本文工程二中 ,结构构件设计均能满足承受雪荷载的要求 , 但由于屋架下弦拉杆采用弯钩 这种不可靠的连接方式 , 使得在雪荷载的作用下连接 失效并引起整个结构的倒塌。由此可见 , 采用可靠的连接方式对于保证钢结构工程的安全具有重大意义。3) 构件或结构失稳 稳定问题历来是钢结构研究 中的重点问题之一。但是很多从业人员仅意识到钢结 构建成后的稳定问题 , 而忽视了钢结构工程在施工期 间 ,特别是结构尚未完全形成前的稳定问题。在本文 工程一中可以看到 , 忽视钢结构拼装过程中的稳定问 题 ,违背施工标准 ,结果可能引发严重的倒塌事故。4) 其它原因 从近年来钢结构事故的发生来看 , 还有其它一些原因。例如 :刚度不足 ,围护结构连接失 效等。特别是围护结构与主体结构连接失效问题 , 近年来由于屋面檩条与钢网架间支托焊缝质量问题使得屋面被大风吹落事件屡有发生。这些在设计和施工时 也应加以注意。综上所述 ,为了防止钢结构工程事故的发生 ,在进 行钢结构设计时应充分考虑不利的荷载组合 , 注意连 接方式的选择和构件、结构的稳定问题的分析; 而且应注意施工图的设计深度问题 ,在本文二、三实例中就存在设计图纸对部分节点的连接交代不清楚 , 而施工时 又采取了冒险的连接方式 , 结果导致了事故的发生。 在施工时应严格按照施工规范的要求 , 采取充分的措 施保证结构稳定性 ,并充分保证构件连接的施工质量。4结语本文通过三起钢结构倒塌事故的检测与鉴定 , 对 其事故原因进行了分析 ,通过总结 ,明确了钢结构事故的发生主要受工况考虑不全面、连接失效、结构失稳等因素的影响。在此基础上 , 对钢结构工程在设计和施 工过程中为防止事故发生提出了相关建议措施。 参考文献 :1中国建筑科学研究院. gb5000922001 建筑结构荷载规范s .北京 :中国建筑工业出版社 ,2002 .china academy of building research. gb5000922001 load code for the design of building structures s . beijing : china architecture & building press ,2002 . 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