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輕鋼結構工程事故分析

作者：朱 若 蘭    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
本文結合近年來(lái)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(fā)生。
    關(guān)鍵詞：輕鋼結構工程事故分析
    關(guān)鍵詞：輕鋼結構 事故分析

    1 前言
    　　近年來(lái)，輕鋼結構由于其自重輕，建設周期短，適應性強，外表美觀(guān)，造價(jià)低，易維護等優(yōu)點(diǎn)而倍受投資者的青睞。各類(lèi)鋼結構公司也隨之興起，在國外輕鋼結構廠(chǎng)商的帶動(dòng)下積極發(fā)展我國自己的輕鋼結構體系。但是輕鋼結構行業(yè)迅猛發(fā)展背后的隱憂(yōu)卻容不得一點(diǎn)忽視：各類(lèi)工程質(zhì)量事故不斷出現、行業(yè)惡性競爭不斷、直接導致了鋼結構行業(yè)的不健康發(fā)展。
    輕鋼結構是近年我國各類(lèi)鋼結構中發(fā)展最快的，它主要指用輕型板材作圍護結構的門(mén)式鋼架輕型房屋結構（簡(jiǎn)稱(chēng)“輕鋼”）和壓型鋼板拱殼屋蓋。這兩種結構的特點(diǎn)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(kāi)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(jīng)濟財產(chǎn)造成了巨大損失。
    2 輕鋼結構事故案例
    　　國內近幾年來(lái)輕鋼結構事故頻發(fā)，1996 年9 月9 日廣東省湛江市的臺風(fēng)造成數萬(wàn)平方的輕鋼廠(chǎng)房受損、1996 年12 月31 在鞍山暴風(fēng)雪中有1.8 萬(wàn)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(wàn)m2 輕鋼廠(chǎng)房倒塌、2004 年8 月12 日夜登陸浙江溫嶺的臺風(fēng)“云娜”造成了大面積廠(chǎng)房倒塌（其中絕大多數是輕鋼廠(chǎng)房）、2005 年威海的特大暴風(fēng)雪又造成了大量輕鋼廠(chǎng)房受損……還有許多大大小小的輕鋼工程事故被悄無(wú)聲息的隱藏了起來(lái)。這些輕鋼結構事故的主要特點(diǎn)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(fēng)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(guò)程事故,如圖13-22




    　　2.4 材料采購不當產(chǎn)生的事故,如圖23-26

    　　2.5 使用不當產(chǎn)生的事故,如圖27-28

    　　根據工程事故調查，輕鋼結構中常見(jiàn)的工程質(zhì)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(fēng)掀起；（4）屋面板銹蝕、漏雨；（5）沉降不均勻。
    3.事故原因
    　　事故發(fā)生的原因是多方面的，雖然有臺風(fēng)、大雪等是偶然性的誘發(fā)因素，但是設計、制作、安裝等過(guò)程所留下的隱患卻是事故發(fā)生的內在原因。
    　　3.1 設計方面
    　　隨著(zhù)近幾年輕鋼結構的發(fā)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(lái)，但是對于鋼結構工程的設計經(jīng)驗和水平卻普遍較低，認為只要有設計軟件就可以進(jìn)行鋼結構工程的設計施工了?？墒沁@樣的設計卻常常犯一些最基本的概念錯誤。設計方面的問(wèn)題主要集中在以下幾個(gè)方面：
    　　3.1.1 結構選型、計算簡(jiǎn)圖不合理
    　　為數不少的單位設計的門(mén)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(jià)。在廠(chǎng)房中，的確是有用砼柱和鋼桁架組成的框架，但此時(shí)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(dòng)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(mǎn)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(huì )產(chǎn)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(mén)式剛架設計好之后，又根據業(yè)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(mén)式剛架的中柱都是按照搖擺柱設計的，但是實(shí)際的構造卻沒(méi)有做到鉸接，而是一種半剛性連接。這樣便會(huì )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(chǎn)生破壞。
    　　檁條設計未考慮扭轉，因為屋面荷載并未通過(guò)檁條的剪切中心，所以會(huì )使檁條產(chǎn)生扭轉。屋面板僅是簡(jiǎn)單的和檁條通過(guò)自攻螺釘或支架連接，不能有效的限制檁條轉動(dòng)。如果沒(méi)有足夠的構造方法限制檁條的扭轉，在荷載作用下會(huì )產(chǎn)生扭轉應力。這一點(diǎn)許多軟件都沒(méi)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(jià)而對活荷載進(jìn)行挖潛，遇到超載時(shí)就會(huì )出現安全問(wèn)題。CECE102:2002規定不上人屋面當采用壓型鋼板屋面時(shí)豎向活荷載標準值為0.5kN/m2，但當受荷面積大于60 m2 時(shí)可乘折減系數0.6。門(mén)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?，F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(lái)說(shuō)屋面構件計算時(shí)的取值大于剛架計算時(shí)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(zhì)屋面驗算屋面板及檁條時(shí)取0.5 kN/m2，驗算屋架、剛架等承重結構時(shí)取0.3kN/m2。
    　　在建筑物的不同部位，風(fēng)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(huán)節而破壞。
    　　3.1.3 節點(diǎn)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(diǎn)構造等進(jìn)行設計時(shí)，往往寫(xiě)上一句“鋼結構節點(diǎn)由鋼結構公司完善”。 這樣便缺少節點(diǎn)設計，圖紙深度遠遠沒(méi)有達到施工圖的標準，施工單位隨意選用節點(diǎn)做法，造成許多隨意性從而產(chǎn)生質(zhì)量隱患，也使工程施工和驗收沒(méi)有了依據。
    　　比如因為圖紙節點(diǎn)構造不詳，施工單位大多為了降低造價(jià)而省去了面板搭接處的止水粘帶等做法。這樣會(huì )造成雪融化后水逐漸滲入、或者大雨時(shí)雨水滲入，為保溫棉所吸收。屋面的設計荷載很小時(shí)，當吸水量達至一定程度，超過(guò)了結構的承載能力，檁條便會(huì )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(diǎn)主要表現在檁條、墻梁撓度過(guò)大；框架斜梁撓度過(guò)大。屋面少許超載便會(huì )造成排水不暢而產(chǎn)生滲漏。CECE102:2002 僅對屋面斜梁的撓度限制進(jìn)行了控制，但是卻沒(méi)有對屋脊點(diǎn)的下垂度進(jìn)行控制。屋脊點(diǎn)下垂過(guò)大也會(huì )引起屋面漏水。
    　　3.1.5 面板系統無(wú)設計
    　　設計單位往往對板型選擇、連接方式、固定方式?jīng)]有設計，對于不同的風(fēng)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(fēng)能力和相應的配件及檁條的設計就進(jìn)行了規定。如果某個(gè)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(shù)人員就會(huì )根據其建筑物的平立剖面尺寸，建設地點(diǎn)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(fēng)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(mǎn)足這些具體的要求，FM 公司才會(huì )認證這個(gè)項目的安全性，給予業(yè)主提供工程保險。這一舉措可以說(shuō)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(wú)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(méi)有具體標明。雖然這些鋼結構施工質(zhì)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(shuō)明，施工和驗收就缺乏依據，造成盲目施工和無(wú)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(gè)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(shí)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(jià)，采用劣質(zhì)帶鋼生產(chǎn)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(guò)大。
    　　厚鋼板采購時(shí)沒(méi)有向生產(chǎn)廠(chǎng)提Z 向性能要求。
    　　3.2.2 制作質(zhì)量差
    　　在切割、下料時(shí)，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(jìn)行矯平，導致焊接變形過(guò)大；而且焊接H 鋼無(wú)組裝胎架，造成H 型鋼尺寸偏差大。
    　　工人在焊接時(shí)常常不安裝引熄弧板，造成焊縫不飽滿(mǎn)，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(shí)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(jìn)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(shí)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(zhì)未清除干凈。安裝焊縫處和摩擦面處沒(méi)有按照要求不得涂裝。
    　　構件沒(méi)有標記中心線(xiàn)、定位標記、編號等記號，給安裝施工矯正檢測帶來(lái)困難。構件在運輸和堆放過(guò)程中無(wú)墊塊、支撐面太少、隨意卸車(chē)，雜亂堆放，已堆放的構件沒(méi)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(méi)有安裝工藝；現場(chǎng)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(kāi)裂，而且柱子的標高和垂直度無(wú)法調整。
    　　鋼柱安裝時(shí)違反操作規程，一根根單獨立起來(lái)，當天無(wú)法形成穩固的框架單元，大風(fēng)一來(lái)，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(méi)有及時(shí)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(tài)，無(wú)法滿(mǎn)足房屋的穩定性要求，無(wú)法確保房屋在外部荷載作用下不產(chǎn)生過(guò)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(shí)隨意去掉隅撐。
    　　現場(chǎng)焊縫普遍質(zhì)量差。如剛性連接襯墊焊間隙太小或太大，無(wú)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(shí)采用焊接、在吊車(chē)梁上焊接支架、造成吊車(chē)梁下?lián)稀?br /> 　　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(lái)，施工時(shí)強行用螺栓拉在一起，仍留下很寬縫隙，嚴重影響工程質(zhì)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(kāi)口處沒(méi)有另外涂密封膠，在自攻螺釘頭部下沒(méi)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(zhì)
    　　業(yè)主常常在建成后隨意改變建筑物的使用性質(zhì)，殊不知生產(chǎn)工藝改變了，對建筑物的防火要求也會(huì )發(fā)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(chē)超載；增加連接跨，原來(lái)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(chǎn)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(kāi)裂）。
    　　3.4.3 拆除支撐、隅撐
    　　許多業(yè)主在工藝改變、二次裝修時(shí)，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(yǔ)
    　　我們應當從工程事故中吸取經(jīng)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(jià)而隨意降低設計指標；應當通過(guò)行業(yè)協(xié)會(huì )等積極提高鋼結構設計、制造、施工等技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平；加強設計資質(zhì)、制作安裝資質(zhì)的管理，制止無(wú)證設計、無(wú)證施工；開(kāi)展事故原因分析和預防工作，建立鋼結構事故專(zhuān)家系統。
    　　本文所涉及的內容只是在工作與學(xué)習中所遇到的，可能不甚全面、或有不合理之處，愿與專(zhuān)業(yè)人士共同學(xué)習交流，為促進(jìn)鋼結構行業(yè)的健康發(fā)展而努力。


    參考文獻
    1. 雷宏剛 著(zhù)《鋼結構事故分析與處理》 北京：中國建材工業(yè)出版社 2003.3
    2. 《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)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(mén)式剛架風(fēng)災破壞形式及工程措施. 鋼結構. 2006.5.21

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