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輕鋼結構工程事故分析

作者：朱 若 蘭    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
本文結合近年來的一些輕鋼結構工程事故，從設計、制作、安裝、使用等方面分析了事故的原因，以資各方參考，從而避免事故的再次發生。
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    關鍵詞：輕鋼結構 事故分析

    1 前言
    　　近年來，輕鋼結構由于其自重輕，建設周期短，適應性強，外表美觀，造價低，易維護等優點而倍受投資者的青睞。各類鋼結構公司也隨之興起，在國外輕鋼結構廠商的帶動下積極發展我國自己的輕鋼結構體系。但是輕鋼結構行業迅猛發展背后的隱憂卻容不得一點忽視：各類工程質量事故不斷出現、行業惡性競爭不斷、直接導致了鋼結構行業的不健康發展。
    輕鋼結構是近年我國各類鋼結構中發展最快的，它主要指用輕型板材作圍護結構的門式鋼架輕型房屋結構（簡稱“輕鋼”）和壓型鋼板拱殼屋蓋。這兩種結構的特點是承載力儲備較低，特別是拱形屋蓋對半跨雪荷載很敏感；再加上設計人員參差不齊、制作人員參差不齊、安裝人員參差不齊；使得一些工程從設計階段就開始存在隱患，加上制作、安裝階段的粗制濫造，最終導致建筑物倒塌，給人民生命和經濟財產造成了巨大損失。
    2 輕鋼結構事故案例
    　　國內近幾年來輕鋼結構事故頻發，1996 年9 月9 日廣東省湛江市的臺風造成數萬平方的輕鋼廠房受損、1996 年12 月31 在鞍山暴風雪中有1.8 萬m2 拱形屋面倒塌、1998 年1 月23 日的大雪使得杭州、蕭山等地約6 萬m2 輕鋼廠房倒塌、2004 年8 月12 日夜登陸浙江溫嶺的臺風“云娜”造成了大面積廠房倒塌（其中絕大多數是輕鋼廠房）、2005 年威海的特大暴風雪又造成了大量輕鋼廠房受損……還有許多大大小小的輕鋼工程事故被悄無聲息的隱藏了起來。這些輕鋼結構事故的主要特點是結構局部或整體失穩、甚至整體坍塌。
    　　以下是最近幾年收集的一些輕鋼結構工程事故的資料：
    　　2.1 風荷載造成的破壞,如圖1-8



    　　2.2雪荷載造成的破壞,如圖9-12

    　　2.3 安裝過程事故,如圖13-22




    　　2.4 材料采購不當產生的事故,如圖23-26

    　　2.5 使用不當產生的事故,如圖27-28

    　　根據工程事故調查，輕鋼結構中常見的工程質量事故主要集中在以下方面：
    （1）主體剛架或屋面梁失穩倒塌；（2）檁條、墻梁的屈曲；（3）屋面板被風掀起；（4）屋面板銹蝕、漏雨；（5）沉降不均勻。
    3.事故原因
    　　事故發生的原因是多方面的，雖然有臺風、大雪等是偶然性的誘發因素，但是設計、制作、安裝等過程所留下的隱患卻是事故發生的內在原因。
    　　3.1 設計方面
    　　隨著近幾年輕鋼結構的發展，鋼結構公司如雨后春筍、相應的鋼結構設計人員也多了起來，但是對于鋼結構工程的設計經驗和水平卻普遍較低，認為只要有設計軟件就可以進行鋼結構工程的設計施工了。可是這樣的設計卻常常犯一些最基本的概念錯誤。設計方面的問題主要集中在以下幾個方面：
    　　3.1.1 結構選型、計算簡圖不合理
    　　為數不少的單位設計的門式剛架，采用鋼筋混凝土柱和輕鋼斜梁組成，斜梁用豎放式端板與砼柱中的預埋螺栓相連，形成剛接，目的是想節省鋼材和降低造價。在廠房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時梁柱只能鉸接，不能剛接。因為混凝土是一種脆性材料，在連接部位，它的抗拉、抗沖切的性能很差，在外力作用下很容易松動和破壞。
    　　鋼梁和砼柱的連接應當設計為鉸接，且應當將兩者一起整體建模做受力分析。因為鋼梁的剛度較小，不能滿足排架結構將鋼梁做為剛性系桿的假定。
    　　還有些設計是在鋼梁端部增加一截短鋼柱，短鋼柱底部與砼柱鉸接。殊不知這樣的短柱底部會產生巨大的水平剪力。圖29 的工程事故便是這種情況。還有的鋼結構公司在門式剛架設計好之后，又根據業主要求將鋼柱換成砼柱，而梁截面不變。由于連接不同，構件內力也不同，所以構件的截面也應當不一樣。

    　　許多多跨門式剛架的中柱都是按照搖擺柱設計的，但是實際的構造卻沒有做到鉸接，而是一種半剛性連接。這樣便會導致中柱頂部因承受巨大彎矩而破壞。
    　　變截面構件的設計不合理，剛度突變太大，在剛度突變處容易產生破壞。
    　　檁條設計未考慮扭轉，因為屋面荷載并未通過檁條的剪切中心，所以會使檁條產生扭轉。屋面板僅是簡單的和檁條通過自攻螺釘或支架連接，不能有效的限制檁條轉動。如果沒有足夠的構造方法限制檁條的扭轉，在荷載作用下會產生扭轉應力。這一點許多軟件都沒有考慮，所以需要設計人員考慮，否則就不需要結構工程師了。
    　　3.1.2 荷載取值錯誤
    　　許多鋼結構公司一味的降低造價而對活荷載進行挖潛，遇到超載時就會出現安全問題。CECE102:2002規定不上人屋面當采用壓型鋼板屋面時豎向活荷載標準值為0.5kN/m2，但當受荷面積大于60 m2 時可乘折減系數0.6。門式剛架一般符合此條件，所以可用0.3kN/ m2，與鋼結構設計規范保持一致。現在大多數鋼結構公司設計的框架太細，檁條太小，明顯有克扣荷載情況，今后應特別注意，決不允許在有限的活荷載中"挖潛"。
    　　壓型鋼板屋面的自重很輕，一般來說屋面構件計算時的取值大于剛架計算時的取值是合理的。上海市標準DBJ08-68-97 便明確規定對壓型鋼板等輕質屋面驗算屋面板及檁條時取0.5 kN/m2，驗算屋架、剛架等承重結構時取0.3kN/m2。
    　　在建筑物的不同部位，風荷載、雪荷載、積灰荷載都應區別對待。而許多設計人員卻統一按照中間區取值，造成建筑物在檐口、女兒墻、端區等位置形成薄弱環節而破壞。
    　　3.1.3 節點構造不合理
    　　許多設計單位對鋼結構設計不求甚解，在對板型、節點構造等進行設計時，往往寫上一句“鋼結構節點由鋼結構公司完善”。 這樣便缺少節點設計，圖紙深度遠遠沒有達到施工圖的標準，施工單位隨意選用節點做法，造成許多隨意性從而產生質量隱患，也使工程施工和驗收沒有了依據。
    　　比如因為圖紙節點構造不詳，施工單位大多為了降低造價而省去了面板搭接處的止水粘帶等做法。這樣會造成雪融化后水逐漸滲入、或者大雨時雨水滲入，為保溫棉所吸收。屋面的設計荷載很小時，當吸水量達至一定程度，超過了結構的承載能力，檁條便會破壞，而失去檁條支撐的剛架也隨之倒塌。
    　　3.1.4 結構剛度差
    這一點主要表現在檁條、墻梁撓度過大；框架斜梁撓度過大。屋面少許超載便會造成排水不暢而產生滲漏。CECE102:2002 僅對屋面斜梁的撓度限制進行了控制，但是卻沒有對屋脊點的下垂度進行控制。屋脊點下垂過大也會引起屋面漏水。
    　　3.1.5 面板系統無設計
    　　設計單位往往對板型選擇、連接方式、固定方式沒有設計，對于不同的風荷載、雨水量、不同的檁條間距，屋面板厚度、板型、螺釘或支架數量應當不同。工程方面的FM（Factory Mutual）保險對面板的抗風能力和相應的配件及檁條的設計就進行了規定。如果某個建筑工程項目的建設方需要投保FM 的工程保險， FM 公司的技術人員就會根據其建筑物的平立剖面尺寸，建設地點等具體項目情況提出相應的維護系統的要求，例如：設計中應該基于的風載和雪載等活荷載，維護板型及厚度，自攻螺絲的布置，檁條設計等。只有該項目的設計滿足這些具體的要求，FM 公司才會認證這個項目的安全性，給予業主提供工程保險。這一舉措可以說是在某種程度上提高了建筑的設計安全儲備，也避免了大多數設計人員對于輕鋼結構建筑維護系統無設計的情況。
    　　3.1.6 配件規格不詳
    　　一般設計圖紙中對鋼板、型鋼、高強螺栓等主要材料大都具體明確，卻因為對輕鋼建筑系統不熟悉，而對維護系統中的自攻螺釘、栓釘等小配件的規格、型號、性能沒有具體標明。雖然這些鋼結構施工質量驗收規范已明確規定，并作為強制性條文要求，但是如果設計圖紙未加說明，施工和驗收就缺乏依據，造成盲目施工和無法驗收后果。因為自攻螺釘等小配件不合格而造成面板脫落、表面銹跡斑斑的事故比比皆是。
    　　3.2 制作方面
    　　3.2.1 材料采購不合格
    　　為屋面不銹鋼絲不合格，在工程完工后一個月內便出現了大面積的斷裂。圖24~26 為彩鋼板涂層不合格，在不到三年的時間內便出現了整體掉色、銹蝕現象。
    　　制作單位為了一味降低造價，采用劣質帶鋼生產檁條，斷面轉角處在加工成型是出現裂紋。
    　　選擇的材料負公差過大。
    　　厚鋼板采購時沒有向生產廠提Z 向性能要求。
    　　3.2.2 制作質量差
    　　在切割、下料時，翼緣板切割邊緣有較深的切割痕跡，凹陷明顯，切割粗糙度超標。
    　　在組裝前未對腹板和翼緣板進行矯平，導致焊接變形過大；而且焊接H 鋼無組裝胎架，造成H 型鋼尺寸偏差大。
    　　工人在焊接時常常不安裝引熄弧板，造成焊縫不飽滿，邊緣有凹坑未熔合、與母材不平齊；柱腳、牛腿、端板等要求熔透焊接的地方在加工時任意用腳焊縫代替；施焊前焊口附近的油、水、銹污等未清除干凈。翼緣板與腹板拼接焊縫往往未達到規范要求。
    　　除銹馬虎，未達到等級要求；或者是先對鋼板進行除銹，加工完畢后直接涂裝，造成油漆不久就出現返銹、剝落；構件噴涂時漆膜厚度不均勻，外部表面涂層普遍超厚，而內部表面卻普遍厚度不夠；油漆前雜質未清除干凈。安裝焊縫處和摩擦面處沒有按照要求不得涂裝。
    　　構件沒有標記中心線、定位標記、編號等記號，給安裝施工矯正檢測帶來困難。構件在運輸和堆放過程中無墊塊、支撐面太少、隨意卸車，雜亂堆放，已堆放的構件沒有保護，造成構件變形、碰傷和污染。
    　　3.3 安裝方面
    　　構件安裝順序錯誤，沒有安裝工藝；現場施工隨意性太大，不遵守操作規程。
    　　施工單位圖方便，省掉柱腳抗剪鍵，將柱腳底板直接作用在基礎頂面上毫不奇怪，其結果是柱底板不能完全支承在混凝土上，接觸面存在縫隙。如果這條縫隙不用砂漿灌注混凝土可能局部開裂，而且柱子的標高和垂直度無法調整。
    　　鋼柱安裝時違反操作規程，一根根單獨立起來，當天無法形成穩固的框架單元，大風一來，造成倒塌（如圖14）。這樣的安全事故多次出現，應絕對避免。
    　　框架形成穩定單元后，柱腳沒有及時灌漿固定，從而導致結構倒塌（圖18~20）。
    　　結構矯正完畢后，交叉斜撐仍然處于松弛狀態，無法滿足房屋的穩定性要求，無法確保房屋在外部荷載作用下不產生過大變形。
    　　隅撐常常缺少、連接錯誤或安裝位置不正確；許多有內襯板的建筑物，在施工時隨意去掉隅撐。
    　　現場焊縫普遍質量差。如剛性連接襯墊焊間隙太小或太大，無法焊透；襯墊板規格不符合要求，甚至用鋼筋代替；焊縫的成形不好，高低不平，寬窄不一，飛濺、焊瘤未清除，咬肉、氣孔較多；弧頭弧尾不加引熄弧板，出現凹陷等等。
    　　在安裝軌道時采用焊接、在吊車梁上焊接支架、造成吊車梁下撓。
    　　端板連接是結構的重要部位。由于加工要求不嚴，而腹板與端板間夾角誤差大，造成兩塊端板完全對不上，合不起來，施工時強行用螺栓拉在一起，仍留下很寬縫隙，嚴重影響工程質量，并造成螺栓群受力惡化。
    　　在屋面板縱向接縫處所要求的膠狀密閉劑未裝或裝錯，在板的四面搭接處及在開口處沒有另外涂密封膠，在自攻螺釘頭部下沒有安裝橡膠墊；
    　　施工工程中對屋面圍護不注意保護，隨意踩踏屋面，破壞了屋面的平整甚至出現涂層劃傷。
    　　3.4 使用方面
    　　3.4.1 改變建筑物使用性質
    　　業主常常在建成后隨意改變建筑物的使用性質，殊不知生產工藝改變了，對建筑物的防火要求也會發生變化。這樣隨意改變大大增加了火災的危險性。
    　　3.4.2 隨意增加荷載
    　　在檁條或屋面梁上增加懸掛荷載（如吊頂、管道等）；行車超載；增加連接跨，原來的單跨成為多跨；室內增加平臺；地坪堆載增加（圖27~28 便是堆載增加導致產生不均勻沉降，中柱與邊柱沉降差達到32cm，導致柱子彎曲，墻面板開裂）。
    　　3.4.3 拆除支撐、隅撐
    　　許多業主在工藝改變、二次裝修時，擅自將柱間支撐、隅撐拆除，造成結構不能形成穩定的體系。
    4.結語
    　　我們應當從工程事故中吸取經驗教訓，做到防范為主，并遵守以下原則：
    　　設計人員應嚴格遵守規范要求，不能因為降低造價而隨意降低設計指標；應當通過行業協會等積極提高鋼結構設計、制造、施工等技術人員的業務水平；加強設計資質、制作安裝資質的管理，制止無證設計、無證施工；開展事故原因分析和預防工作，建立鋼結構事故專家系統。
    　　本文所涉及的內容只是在工作與學習中所遇到的，可能不甚全面、或有不合理之處，愿與專業人士共同學習交流，為促進鋼結構行業的健康發展而努力。


    參考文獻
    1. 雷宏剛 著《鋼結構事故分析與處理》 北京：中國建材工業出版社 2003.3
    2. 《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》 CECS102:2002
    3. 《輕型鋼結構設計規程》DBJ08-68-97
    4. 王士奇、劉仲波 輕型門式剛架風災破壞形式及工程措施. 鋼結構. 2006.5.21


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