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轻钢结构工程事故分析

作者：朱 若 兰    
时间：2009-12-22 20:26:10 [收藏]
本文结合近年来的一些轻钢结构工程事故，从设计、制作、安装、使用等方面分析了事故的原因，以资各方参考，从而避免事故的再次发生。
    关键词：轻钢结构工程事故分析
    关键词：轻钢结构 事故分析

    1 前言
    　　近年来，轻钢结构由于其自重轻，建设周期短，适应性强，外表美观，造价低，易维护等优点而倍受投资者的青睐。各类钢结构公司也随之兴起，在国外轻钢结构厂商的带动下积极发展我国自己的轻钢结构体系。但是轻钢结构行业迅猛发展背后的隐忧却容不得一点忽视：各类工程质量事故不断出现、行业恶性竞争不断、直接导致了钢结构行业的不健康发展。
    轻钢结构是近年我国各类钢结构中发展最快的，它主要指用轻型板材作围护结构的门式钢架轻型房屋结构（简称“轻钢”）和压型钢板拱壳屋盖。这两种结构的特点是承载力储备较低，特别是拱形屋盖对半跨雪荷载很敏感；再加上设计人员参差不齐、制作人员参差不齐、安装人员参差不齐；使得一些工程从设计阶段就开始存在隐患，加上制作、安装阶段的粗制滥造，最终导致建筑物倒塌，给人民生命和经济财产造成了巨大损失。
    2 轻钢结构事故案例
    　　国内近几年来轻钢结构事故频发，1996 年9 月9 日广东省湛江市的台风造成数万平方的轻钢厂房受损、1996 年12 月31 在鞍山暴风雪中有1.8 万m2 拱形屋面倒塌、1998 年1 月23 日的大雪使得杭州、萧山等地约6 万m2 轻钢厂房倒塌、2004 年8 月12 日夜登陆浙江温岭的台风“云娜”造成了大面积厂房倒塌（其中绝大多数是轻钢厂房）、2005 年威海的特大暴风雪又造成了大量轻钢厂房受损……还有许多大大小小的轻钢工程事故被悄无声息的隐藏了起来。这些轻钢结构事故的主要特点是结构局部或整体失稳、甚至整体坍塌。
    　　以下是最近几年收集的一些轻钢结构工程事故的资料：
    　　2.1 风荷载造成的破坏,如图1-8



    　　2.2雪荷载造成的破坏,如图9-12

    　　2.3 安装过程事故,如图13-22




    　　2.4 材料采购不当产生的事故,如图23-26

    　　2.5 使用不当产生的事故,如图27-28

    　　根据工程事故调查，轻钢结构中常见的工程质量事故主要集中在以下方面：
    （1）主体刚架或屋面梁失稳倒塌；（2）檩条、墙梁的屈曲；（3）屋面板被风掀起；（4）屋面板锈蚀、漏雨；（5）沉降不均匀。
    3.事故原因
    　　事故发生的原因是多方面的，虽然有台风、大雪等是偶然性的诱发因素，但是设计、制作、安装等过程所留下的隐患却是事故发生的内在原因。
    　　3.1 设计方面
    　　随着近几年轻钢结构的发展，钢结构公司如雨后春笋、相应的钢结构设计人员也多了起来，但是对于钢结构工程的设计经验和水平却普遍较低，认为只要有设计软件就可以进行钢结构工程的设计施工了。可是这样的设计却常常犯一些最基本的概念错误。设计方面的问题主要集中在以下几个方面：
    　　3.1.1 结构选型、计算简图不合理
    　　为数不少的单位设计的门式刚架，采用钢筋混凝土柱和轻钢斜梁组成，斜梁用竖放式端板与砼柱中的预埋螺栓相连，形成刚接，目的是想节省钢材和降低造价。在厂房中，的确是有用砼柱和钢桁架组成的框架，但此时梁柱只能铰接，不能刚接。因为混凝土是一种脆性材料，在连接部位，它的抗拉、抗冲切的性能很差，在外力作用下很容易松动和破坏。
    　　钢梁和砼柱的连接应当设计为铰接，且应当将两者一起整体建模做受力分析。因为钢梁的刚度较小，不能满足排架结构将钢梁做为刚性系杆的假定。
    　　还有些设计是在钢梁端部增加一截短钢柱，短钢柱底部与砼柱铰接。殊不知这样的短柱底部会产生巨大的水平剪力。图29 的工程事故便是这种情况。还有的钢结构公司在门式刚架设计好之后，又根据业主要求将钢柱换成砼柱，而梁截面不变。由于连接不同，构件内力也不同，所以构件的截面也应当不一样。

    　　许多多跨门式刚架的中柱都是按照摇摆柱设计的，但是实际的构造却没有做到铰接，而是一种半刚性连接。这样便会导致中柱顶部因承受巨大弯矩而破坏。
    　　变截面构件的设计不合理，刚度突变太大，在刚度突变处容易产生破坏。
    　　檩条设计未考虑扭转，因为屋面荷载并未通过檩条的剪切中心，所以会使檩条产生扭转。屋面板仅是简单的和檩条通过自攻螺钉或支架连接，不能有效的限制檩条转动。如果没有足够的构造方法限制檩条的扭转，在荷载作用下会产生扭转应力。这一点许多软件都没有考虑，所以需要设计人员考虑，否则就不需要结构工程师了。
    　　3.1.2 荷载取值错误
    　　许多钢结构公司一味的降低造价而对活荷载进行挖潜，遇到超载时就会出现安全问题。CECE102:2002规定不上人屋面当采用压型钢板屋面时竖向活荷载标准值为0.5kN/m2，但当受荷面积大于60 m2 时可乘折减系数0.6。门式刚架一般符合此条件，所以可用0.3kN/ m2，与钢结构设计规范保持一致。现在大多数钢结构公司设计的框架太细，檩条太小，明显有克扣荷载情况，今后应特别注意，决不允许在有限的活荷载中"挖潜"。
    　　压型钢板屋面的自重很轻，一般来说屋面构件计算时的取值大于刚架计算时的取值是合理的。上海市标准DBJ08-68-97 便明确规定对压型钢板等轻质屋面验算屋面板及檩条时取0.5 kN/m2，验算屋架、刚架等承重结构时取0.3kN/m2。
    　　在建筑物的不同部位，风荷载、雪荷载、积灰荷载都应区别对待。而许多设计人员却统一按照中间区取值，造成建筑物在檐口、女儿墙、端区等位置形成薄弱环节而破坏。
    　　3.1.3 节点构造不合理
    　　许多设计单位对钢结构设计不求甚解，在对板型、节点构造等进行设计时，往往写上一句“钢结构节点由钢结构公司完善”。 这样便缺少节点设计，图纸深度远远没有达到施工图的标准，施工单位随意选用节点做法，造成许多随意性从而产生质量隐患，也使工程施工和验收没有了依据。
    　　比如因为图纸节点构造不详，施工单位大多为了降低造价而省去了面板搭接处的止水粘带等做法。这样会造成雪融化后水逐渐渗入、或者大雨时雨水渗入，为保温棉所吸收。屋面的设计荷载很小时，当吸水量达至一定程度，超过了结构的承载能力，檩条便会破坏，而失去檩条支撑的刚架也随之倒塌。
    　　3.1.4 结构刚度差
    这一点主要表现在檩条、墙梁挠度过大；框架斜梁挠度过大。屋面少许超载便会造成排水不畅而产生渗漏。CECE102:2002 仅对屋面斜梁的挠度限制进行了控制，但是却没有对屋脊点的下垂度进行控制。屋脊点下垂过大也会引起屋面漏水。
    　　3.1.5 面板系统无设计
    　　设计单位往往对板型选择、连接方式、固定方式没有设计，对于不同的风荷载、雨水量、不同的檩条间距，屋面板厚度、板型、螺钉或支架数量应当不同。工程方面的FM（Factory Mutual）保险对面板的抗风能力和相应的配件及檩条的设计就进行了规定。如果某个建筑工程项目的建设方需要投保FM 的工程保险， FM 公司的技术人员就会根据其建筑物的平立剖面尺寸，建设地点等具体项目情况提出相应的维护系统的要求，例如：设计中应该基于的风载和雪载等活荷载，维护板型及厚度，自攻螺丝的布置，檩条设计等。只有该项目的设计满足这些具体的要求，FM 公司才会认证这个项目的安全性，给予业主提供工程保险。这一举措可以说是在某种程度上提高了建筑的设计安全储备，也避免了大多数设计人员对于轻钢结构建筑维护系统无设计的情况。
    　　3.1.6 配件规格不详
    　　一般设计图纸中对钢板、型钢、高强螺栓等主要材料大都具体明确，却因为对轻钢建筑系统不熟悉，而对维护系统中的自攻螺钉、栓钉等小配件的规格、型号、性能没有具体标明。虽然这些钢结构施工质量验收规范已明确规定，并作为强制性条文要求，但是如果设计图纸未加说明，施工和验收就缺乏依据，造成盲目施工和无法验收后果。因为自攻螺钉等小配件不合格而造成面板脱落、表面锈迹斑斑的事故比比皆是。
    　　3.2 制作方面
    　　3.2.1 材料采购不合格
    　　为屋面不锈钢丝不合格，在工程完工后一个月内便出现了大面积的断裂。图24~26 为彩钢板涂层不合格，在不到三年的时间内便出现了整体掉色、锈蚀现象。
    　　制作单位为了一味降低造价，采用劣质带钢生产檩条，断面转角处在加工成型是出现裂纹。
    　　选择的材料负公差过大。
    　　厚钢板采购时没有向生产厂提Z 向性能要求。
    　　3.2.2 制作质量差
    　　在切割、下料时，翼缘板切割边缘有较深的切割痕迹，凹陷明显，切割粗糙度超标。
    　　在组装前未对腹板和翼缘板进行矫平，导致焊接变形过大；而且焊接H 钢无组装胎架，造成H 型钢尺寸偏差大。
    　　工人在焊接时常常不安装引熄弧板，造成焊缝不饱满，边缘有凹坑未熔合、与母材不平齐；柱脚、牛腿、端板等要求熔透焊接的地方在加工时任意用脚焊缝代替；施焊前焊口附近的油、水、锈污等未清除干净。翼缘板与腹板拼接焊缝往往未达到规范要求。
    　　除锈马虎，未达到等级要求；或者是先对钢板进行除锈，加工完毕后直接涂装，造成油漆不久就出现返锈、剥落；构件喷涂时漆膜厚度不均匀，外部表面涂层普遍超厚，而内部表面却普遍厚度不够；油漆前杂质未清除干净。安装焊缝处和摩擦面处没有按照要求不得涂装。
    　　构件没有标记中心线、定位标记、编号等记号，给安装施工矫正检测带来困难。构件在运输和堆放过程中无垫块、支撑面太少、随意卸车，杂乱堆放，已堆放的构件没有保护，造成构件变形、碰伤和污染。
    　　3.3 安装方面
    　　构件安装顺序错误，没有安装工艺；现场施工随意性太大，不遵守操作规程。
    　　施工单位图方便，省掉柱脚抗剪键，将柱脚底板直接作用在基础顶面上毫不奇怪，其结果是柱底板不能完全支承在混凝土上，接触面存在缝隙。如果这条缝隙不用砂浆灌注混凝土可能局部开裂，而且柱子的标高和垂直度无法调整。
    　　钢柱安装时违反操作规程，一根根单独立起来，当天无法形成稳固的框架单元，大风一来，造成倒塌（如图14）。这样的安全事故多次出现，应绝对避免。
    　　框架形成稳定单元后，柱脚没有及时灌浆固定，从而导致结构倒塌（图18~20）。
    　　结构矫正完毕后，交叉斜撑仍然处于松弛状态，无法满足房屋的稳定性要求，无法确保房屋在外部荷载作用下不产生过大变形。
    　　隅撑常常缺少、连接错误或安装位置不正确；许多有内衬板的建筑物，在施工时随意去掉隅撑。
    　　现场焊缝普遍质量差。如刚性连接衬垫焊间隙太小或太大，无法焊透；衬垫板规格不符合要求，甚至用钢筋代替；焊缝的成形不好，高低不平，宽窄不一，飞溅、焊瘤未清除，咬肉、气孔较多；弧头弧尾不加引熄弧板，出现凹陷等等。
    　　在安装轨道时采用焊接、在吊车梁上焊接支架、造成吊车梁下挠。
    　　端板连接是结构的重要部位。由于加工要求不严，而腹板与端板间夹角误差大，造成两块端板完全对不上，合不起来，施工时强行用螺栓拉在一起，仍留下很宽缝隙，严重影响工程质量，并造成螺栓群受力恶化。
    　　在屋面板纵向接缝处所要求的胶状密闭剂未装或装错，在板的四面搭接处及在开口处没有另外涂密封胶，在自攻螺钉头部下没有安装橡胶垫；
    　　施工工程中对屋面围护不注意保护，随意踩踏屋面，破坏了屋面的平整甚至出现涂层划伤。
    　　3.4 使用方面
    　　3.4.1 改变建筑物使用性质
    　　业主常常在建成后随意改变建筑物的使用性质，殊不知生产工艺改变了，对建筑物的防火要求也会发生变化。这样随意改变大大增加了火灾的危险性。
    　　3.4.2 随意增加荷载
    　　在檩条或屋面梁上增加悬挂荷载（如吊顶、管道等）；行车超载；增加连接跨，原来的单跨成为多跨；室内增加平台；地坪堆载增加（图27~28 便是堆载增加导致产生不均匀沉降，中柱与边柱沉降差达到32cm，导致柱子弯曲，墙面板开裂）。
    　　3.4.3 拆除支撑、隅撑
    　　许多业主在工艺改变、二次装修时，擅自将柱间支撑、隅撑拆除，造成结构不能形成稳定的体系。
    4.结语
    　　我们应当从工程事故中吸取经验教训，做到防范为主，并遵守以下原则：
    　　设计人员应严格遵守规范要求，不能因为降低造价而随意降低设计指标；应当通过行业协会等积极提高钢结构设计、制造、施工等技术人员的业务水平；加强设计资质、制作安装资质的管理，制止无证设计、无证施工；开展事故原因分析和预防工作，建立钢结构事故专家系统。
    　　本文所涉及的内容只是在工作与学习中所遇到的，可能不甚全面、或有不合理之处，愿与专业人士共同学习交流，为促进钢结构行业的健康发展而努力。


    参考文献
    1. 雷宏刚 著《钢结构事故分析与处理》 北京：中国建材工业出版社 2003.3
    2. 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》 CECS102:2002
    3. 《轻型钢结构设计规程》DBJ08-68-97
    4. 王士奇、刘仲波 轻型门式刚架风灾破坏形式及工程措施. 钢结构. 2006.5.21

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