暴雪后門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)廠房的事故分析與處理-

1、工程事故分析暴雪后門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)廠房的事故分析與處理3胡宗文1王元清1石永久1劉明2(11清華大學(xué)土木工程系,北京100084;21沈陽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,沈陽110168摘要:2007年3月初東北地區(qū)遭遇罕見暴雪,造成大量輕鋼結(jié)構(gòu)工程事故,有必要進行總結(jié)反思。針對某門式剛架輕鋼工業(yè)廠房的事故進行較全面的分析,介紹結(jié)構(gòu)損壞情況及鑒定結(jié)果,總結(jié)事故原因,同時提出修復(fù)加固處理方案。分析得出:包括北方地區(qū)女兒墻和南側(cè)附房導(dǎo)致的堆雪作用以及清雪過程出現(xiàn)的次生災(zāi)害等是造成事故的主要原因,進而對當前輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提出建議。關(guān)鍵詞:輕鋼結(jié)構(gòu);門式剛架;堆雪荷載;女兒墻;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”國家科技支撐計劃課題資助項目(N o.2006BA J03A02-1。第一作者:胡宗文,男,1985年2月出生,碩士研究生。E -mail :kenshinhu 收稿日期:2008-12-10輕鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、施工速度快、造價低等優(yōu)點,目前正大規(guī)模地應(yīng)用于民用及工業(yè)建筑中。然而,輕鋼結(jié)構(gòu)自身的超載能力差,遇到罕遇荷載時容易出現(xiàn)事故。同時,我國北方地區(qū)氣象環(huán)境條件相對惡劣,冬季的風雪作用影響較大。正如2007年3月初,在中國東北地區(qū)降下了50年一遇的罕見暴雪。這次暴雪,造成了一場災(zāi)難,數(shù)以百計的輕鋼結(jié)構(gòu)工程都遭到了不同程度的破壞。這樣的雪災(zāi),無疑又

7、為中國的結(jié)構(gòu)工程,尤其是輕鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,敲響了警鐘。本文針對某門式剛架輕鋼工業(yè)廠房的事故進行較全面的分析,介紹結(jié)構(gòu)損壞情況及鑒定結(jié)果,總結(jié)事故原因,進而對當前輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提出建議。1暴雪災(zāi)難概況2007年3月35日,極其罕見的暴雪、大風、寒潮、暴雨、風暴潮降臨到中國東北地區(qū)。其中遼寧省大部分地區(qū)出現(xiàn)自1951年有完整氣象記錄以來最嚴重的暴雪和大風天氣過程,最大降雪量78mm ;最大積雪深度44cm 。氣象評估此次暴雪天氣為一級暴雪災(zāi)害,屬最嚴重級別。受此影響,全省遭受重大損失,總經(jīng)濟損失達14519億元,死亡13人,涉及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑、人民日常生活等方方面面1。其中,對于我們最為關(guān)心的輕型房屋

8、鋼結(jié)構(gòu)來說,整個遼寧省有92家企業(yè)的300多處鋼結(jié)構(gòu)廠房遭到不同程度的損壞,僅沈陽市就有100多處廠房遭受類似的損壞情況,包括采用門式剛架或拱形屋蓋等結(jié)構(gòu)體系。特別指出的是,采用拱形屋蓋的鋼結(jié)構(gòu)受損較為嚴重(沈陽市皇姑區(qū)明廉農(nóng)貿(mào)大廳3個拱形頂棚全部坍塌,造成1人死亡,7人受傷。021Industrial C onstruction V ol 139,N o 17,2009工業(yè)建筑2009年第39卷第7期2輕鋼結(jié)構(gòu)廠房事故原因分析這次事故之后,根據(jù)調(diào)查研究表明,一般來說,絕大多數(shù)廠房在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面滿足規(guī)范要求。部分輕鋼結(jié)構(gòu)廠房出現(xiàn)事故的原因可以簡單概括為以下幾點:1降雪量本身過大和局部積雪過厚。

9、50年一遇的暴雪荷載已經(jīng)超出當時設(shè)計規(guī)范的要求,以及建筑外形等原因造成了局部積雪厚度過大。當然,這在某種程度上也可以理解為結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度的問題。2清理屋面積雪措施不當,產(chǎn)生意外的附加荷載,造成事故。3融雪后排水不暢。水融入尚未融化的積雪中,使局部雪容重增大,同樣導(dǎo)致超載。其中后面兩條就是雪災(zāi)后的次生災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計,相當數(shù)量的廠房事故就是屬于這種次生災(zāi)害事故,而這種原因卻往往被忽略。當然也有部分事故是由于廠房在設(shè)計和施工過程中存在著隱患。3事故實例分析311工程概況沈陽市某集團維修車間輕鋼主廠房,建筑面積為10700m2,建筑總高度為1314m,其剖面圖及平面圖如圖1、圖2 。圖1建筑剖面Fig.

10、1The section view of building 1屋面塌陷;2屋面變形明顯;3混凝土附房部分圖2建筑平面(屋面塌陷分布Fig.2The plan view of building(distribution of roof collapse輕鋼部分采用單層多跨雙坡焊接工形截面門式剛架鋼結(jié)構(gòu)承重的結(jié)構(gòu)體系,平面尺寸為147m×72m,共有7跨,8個柱距,每跨為21m,柱距9m;屋面采用薄壁型鋼C型檁條上鋪雙層壓型鋼板保溫屋面,坡度為3%。需要特別指出的是,該廠房設(shè)置高114m的女兒墻,廠方南側(cè)緊靠在高于廠房較多的混凝土附房上。這兩點對這次事故產(chǎn)生的影響,后面會有分析。312損

11、壞情況結(jié)構(gòu)局部損壞,部分承重構(gòu)件發(fā)生嚴重變形(圖3。該廠房建筑物的邊跨(µµ與M軸間屋面變形明顯,特別是|µ與LM軸間、µµ與LM軸間、µ µ與DE軸間的三處屋面塌陷。檁條屈曲,鋼柱上部彎曲破壞。山墻產(chǎn)生明顯的側(cè)彎變形。其余部分建筑物在雪荷載作用下,各承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生了不同程度的變形,但未觀察到由于基礎(chǔ)不均勻沉降以及由此引起的明顯結(jié)構(gòu)變形。屋面塌陷區(qū)域如圖2所示。實際上,其中大部分的結(jié)構(gòu)變形是雪災(zāi)后清理積雪和融雪過程中產(chǎn)生的 。a屋面塌陷變形;b檁條屈曲喪失承載力;c鋼柱彎曲破壞;d外山墻側(cè)向彎曲變形圖3結(jié)構(gòu)破壞情況Fig.

12、3S tructure damage condition313現(xiàn)場檢測鑒定31311事故后雪載實測情況暴雪當日24h平均降水量達到49mm,特別是風力也達到78級,造成屋面積雪分布不均勻。2d后對屋面積雪分布進行測量,南側(cè)靠近附房處最大積雪深度950mm,測量積雪分布見圖4,實測雪容重平均值為290Nm3。31312破壞情況鑒定本次屋面坍塌的3個單位柱網(wǎng),主要位于屋面南北側(cè)與附房相連處以及端部山墻、女兒墻處積雪較深部位,該部位雪荷載超載,檁條應(yīng)力超過鋼材屈服強度,進入塑流階段,導(dǎo)致周邊梁扭曲,個別柱的上柱彎曲,造成局部屋面塌陷,屬自然災(zāi)害引起的破壞。31313原設(shè)計及施工情況鑒定原設(shè)計是按87

13、規(guī)范設(shè)計2,雪荷載標準值為0140kNm2。 11剖面距軸1310m;22剖面距軸2510m注:等間距標準為5000mm。圖4積雪分布(根據(jù)實測實際描繪,剖面見圖2dm Fig.4Accumulated snow distribution(based on actual measurement經(jīng)現(xiàn)場核查,實際廠房結(jié)構(gòu)基本與原設(shè)計相符,結(jié)構(gòu)和支撐布置合理,結(jié)構(gòu)形式選型正確,傳力路線合理,結(jié)構(gòu)構(gòu)造和連接可靠。鋼結(jié)構(gòu)支撐長細比滿足G B J14490工業(yè)廠房可靠性鑒定標準3第41113條中a級評定的標準。主要鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點處焊縫外形均勻、成形較好,焊縫與金屬間過渡較平滑,焊渣和飛濺物基本清除干凈,焊

14、縫外觀質(zhì)量較好,特別是局部屋面塌陷后,節(jié)點連接均未發(fā)生拉斷(脫開破壞,材料未發(fā)生脆斷,結(jié)構(gòu)構(gòu)造和連接可靠,施工質(zhì)量較好。31314災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形檢測鑒定屋面檁條變形除屋面塌陷3個單位柱網(wǎng)的屋面檁條變形較大外,其余部位檁條變形最大值為42mm,滿足G B J 144903第41414條中檁條變形L150(60mm的要求。外墻墻架柱(M-19、M-21、M-22及剛架柱(M-20、M-23側(cè)彎變形大,實測柱頂位移值大于CECS10220024中規(guī)定H180的限值的要求,其余受檢鋼柱滿足設(shè)計要求。在屋面塌陷3個單位柱網(wǎng)的周邊鋼梁除6根明顯產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和破壞外,其余梁測量的垂直撓度值符合CECS

15、10220024中規(guī)定L180的限值的要求。314事故原因分析檢測的結(jié)果說明,該工程在設(shè)計和施工方面并沒有問題,結(jié)論定為自然災(zāi)害引起的破壞。然而,這種自然災(zāi)害造成的事故中必然存在著人為的影響,而這種影響,正是我們所關(guān)心的。基于此,該工程事故的原因絕不僅僅在于降雪量,而是下面幾點的共同作用:150年一遇的暴雪荷載(015kNm2已經(jīng)超出當時設(shè)計規(guī)范的要求(014kNm22。這一點在現(xiàn)有規(guī)范G B5000920015(2006版中已經(jīng)得到了解決,設(shè)計荷載值已經(jīng)有所提高。2由于本工程高女兒墻與附房形成的高低屋面(北方地區(qū)的南側(cè)附房具有明顯的堆雪作用,使雪荷載分布完全變化,堆雪荷載已被嚴重放大。局部荷

16、載甚至已放大了3倍,分布系數(shù)達到了410,遠遠超出了規(guī)范中的規(guī)定(規(guī)范規(guī)定的積雪分布系數(shù)在12范圍內(nèi)。這一點必須要引起我們足夠的重視。3清理積雪時,一開始組織不當,全民動員毫無顧忌地來到屋面上清雪,包括一些器械。這樣,就突然增大了屋面的荷載值。盡管輕鋼結(jié)構(gòu)屋面在設(shè)計時考慮了檢修人員的荷載,但實際每根檁條承受的荷載只相當于一個人。因此,眾多工作人員不能做到分散站位,無組織的集中站在某些位置,必然增加了未考慮在內(nèi)的集中荷載,造成屋面局部人員和設(shè)備的超載。同時,清雪工序不當,按先屋脊后屋檐的順序清雪,形成連續(xù)梁的隔跨影響,進一步加大了屋面結(jié)構(gòu)的變形。當然,經(jīng)設(shè)計糾正,后來采用了合理有序的方法進行清雪

17、處理。4清雪過程中采用一些設(shè)備來進行融雪處理,被融化的雪水從屋脊向屋檐方向流動,由于屋面天溝凍結(jié),排水孔也尚未解凍,造成排水不暢,水不能快速排走。結(jié)果是,水融入屋檐處的積雪,使雪的容重顯著增大6(數(shù)據(jù)表明:天然雪的容重為15002000Nm3,而融水后容重達到5000 7000Nm3。局部雪荷載在融雪過程中的增大,進一步加大屋面結(jié)構(gòu)的變形,如果不進行處理,就勢必影響相鄰結(jié)構(gòu)的安全。后經(jīng)過設(shè)計協(xié)調(diào),在下陷嚴重的西南角和東南角局部將屋面開孔,用高壓水槍將融雪和積水排出,這種方法非常行之有效。315事故后廠房的修復(fù)加固處理事故發(fā)生后,會同業(yè)主方和施工單位提出了3套修復(fù)加固方案,并最終選擇最合理的一套

18、方案施工,力求在廠房內(nèi)不停產(chǎn)的情況下進行施工,具體要求和做法如下:1修復(fù)加固處理依據(jù)應(yīng)按新的荷載規(guī)范,并考慮現(xiàn)場積雪分布(見圖5 。圖5積雪分布(分析后建議設(shè)計時采用的雪荷載分布圖Fig.5Accumulated snow distribution(snow load distributiongraph suggested for design after analysis2先修復(fù)事故下陷和變形嚴重的部位,更換受損梁柱、檁條、支撐和抗風柱。3在積雪荷載較大位置,揭去屋面外板(保留內(nèi)板,以不影響廠內(nèi)生產(chǎn),更換和增加檁條。4對變形小的和融雪后恢復(fù)變形的部位,考慮現(xiàn)場實測荷載,只進行局部的加固處理,

19、如增設(shè)系桿和隅撐以縮短受壓構(gòu)件的長細比,保證其整體穩(wěn)定。總之,在最大限度不影響廠房內(nèi)生產(chǎn)的情況下對廠房進行修復(fù)加固處理,使其能承受當時或更大的暴雪荷載作用。4結(jié)論和建議1建筑外形。對于中國北方輕鋼結(jié)構(gòu),女兒墻應(yīng)考慮得221工業(yè)建筑2009年第39卷第7期更為全面一些,如:放置溢流孔;將女兒墻下面做成百葉窗式可以排風減少積重;把女兒墻做得很弱,當遇到暴風雪時,會被直接吹倒以達到卸荷的目的;把女兒墻盡量做得矮一些;盡可能在迎風區(qū)不做女兒墻,直接避免積雪。其次,在設(shè)計屋面時要盡可能考慮減少因高低跨造成的堆雪作用。另外,針對北方多北風的氣象特征,在設(shè)計時務(wù)必盡量避免南側(cè)附房的存在,相反,北側(cè)附房則會相

20、對有利。2天溝。天溝凍結(jié)排水不暢會造成雪容重急劇增加。因此設(shè)計時要采取相應(yīng)的措施,如:對于采暖建筑,在內(nèi)天溝處設(shè)較薄的保溫材料(相對于屋面其他部分,從而使室內(nèi)熱量加速天溝內(nèi)冰雪的融化;或天溝不設(shè)保溫,在天溝上涂防冷凝涂料;或在內(nèi)天溝內(nèi)設(shè)置加熱片或加熱管6。3結(jié)構(gòu)設(shè)計。剛架的破壞時常是屋面檁條破壞后拖拽剛架而造成的,并非剛架自身強度不夠。屋面板和檁條是保證剛架面外穩(wěn)定的重要體系。因此,對于輕鋼結(jié)構(gòu)廠房,要嚴格保證屋面體系的安全穩(wěn)定,例如對可能積雪的區(qū)域做加強設(shè)計(檁條加密、加強等(盡管規(guī)范中沒有這方面的規(guī)定。條件允許的話可采用避雪的新工藝,如特殊噴涂不沾雪的鋼板等,以減少堆雪7。4規(guī)范。規(guī)范在堆

21、雪荷載方面考慮得并不夠全面。筆者認為,規(guī)范中北方地區(qū)的輕鋼結(jié)構(gòu)雪荷載計算應(yīng)對堆雪荷載做特別的處理。例如:較大幅度提高高低跨屋面形式(特別是針對南向高屋面的不均勻積雪分布系數(shù),如可能堆雪區(qū)域,根據(jù)本工程,數(shù)值要達到24,甚至更高;對于高女兒墻,規(guī)范中也應(yīng)作出類似其他結(jié)構(gòu)形式的積雪分布說明,提出相應(yīng)的分布系數(shù)。5雪后處理。清雪過程要合理,屋面上的清雪人員要有組織地分散站位。融雪時要保證排水孔的絕對通暢(可以人為疏通排水孔,使雪水能迅速排走?？刹捎萌谘┑男略O(shè)備,如溫水噴撒裝置等7,提高融雪效率及質(zhì)量。對此,我們要引起足夠的重視,要積極開展屋面清雪的技術(shù)學(xué)習,做好現(xiàn)場監(jiān)督,做到科學(xué)清雪。參考文獻1遼寧省氣象臺.2007年3月氣象災(zāi)害公報E B.http:w w w.weather contentfulltext.asp?id=730,2007-04-12.2G B J987建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范S.3G B J144-90工業(yè)廠房可靠性鑒定標準S.4CECS1022002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程S.5G B500092001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范S.6路軍,羅廣宇1多脊和帶女兒墻輕鋼建筑在設(shè)計中應(yīng)注意的問題J.鋼結(jié)構(gòu)