论文部分内容阅读
【摘 要】近年来，钢结构由于其自身的诸多优点而在工程中得到越来越广泛的应用；其中门式刚架结构由于其自重轻、受力简单、施工速度快、造价低等突出优点，在工业和民用项目中得到广泛应用。由于门式刚架结构常采用高宽比较大的H型截面，导致构件截面的平面外稳定性（承载力）较差，加之门式刚架结构自身的超载能力较差；因此，当门式刚架结构遇到罕遇荷载时很容易出现事故。本文通过对门式刚架轻型房屋倒塌事故的全面分析，介绍结构损坏情况及鉴定结果。通过对倒塌事故的深入分析得出，总结其设计、施工等方面的失败教训，进而对当前门式刚架结构设计提出建议。
【关键词】整体稳定，局部稳定，高厚比，屋面积雪系数，计算长度
引言
钢结构作为一种承重结构，由于其自重轻、强度高、塑性及韧性好、抗震性能优越、工业装配化程度高、综合经济效益显著、造型美观以及符合绿色建筑等众多优点，深受建筑师和结构工程师的青睐，被广泛应用于各类建筑中，尤其在大跨度和超高层建筑领域显示出无以伦比的优势。自上世纪末随着我国钢产量突破亿吨大关，在国家一系列的鼓励性政策的调控下，钢结构的发展势头不可阻挡，真正迎来了我国钢结构发展的春天。
当我们回顾过去几十年钢结构的巨大成就，展望未来钢结构美好的前景的同时，世界范围内钢结构的事故频繁发生，惨痛的教训一再重复。近年来由于钢结构材料缺陷、失稳、疲劳、锈蚀、火灾等原因导致的钢结构事故历历在目，从中我们们可以看出钢结构事故的多样性和严重性。就现状而言，我们应该清楚的认识到两个问题：
一是已建的钢结构由于先天缺陷存在，潜在着事故的危险性；
二是面对未来大规模钢结构建筑的兴建，若不解决好设计、施工和使用等一系列现存的问题，钢结构事故发生的概率必将大大增加。了解酿成事故的各种因素，获得分析和防止事故的能力，也是工程技术人员的所应具有的一种业务素质。
本文结合笔者在实际工程遇到的门式刚架轻型房屋倒塌事故，通过事故原因分析总结其中的失败教训，希望能引起各位结构师的重视，避免在今后的钢结构工程中发生类似的问题。
一、项目概况
大亚木业有限公司中密度纤维板项目位于黑龙江省绥芬河市，是一个以木材加工为主的工业项目。
本项目建设总投资7.5亿元人民币，占地面积近30万平米，总建筑面积约10.15万平米，本项目生产辅助用房（办公楼、宿舍楼、制胶车间、中心配电所等）均为多层钢筋混凝土框架结构，建筑面积共计1.21万平米；其余生产车间（主车间、成品库、原料库、深加工车间、木片库等）均为单层轻型门式刚架结构，建筑面积共计8.91万平米。
二、 钢结构事故情况及自然条件
2010年11月8日，绥芬河地区突降暴雪（短时伴随雨夹雪），导致屋面积雪严重。第二天上午本项目中原料库在不堪雪压重负的情况下发生倒塌，倒塌面积1000多平方米。现场倒塌情况见附图1至4。
附图 1 钢柱破坏形 附图 2 围护结构破坏形式
附图 3 钢梁破坏形式 附图 4 檩条破坏形式
原料库基本情况描述：原料库平面尺寸90mx72m，柱距9m，开间尺寸72m（24mx3）；建筑面积6620m2；檐口高度7.5m，屋面采用双坡，坡度1：10；结构主材（刚架柱、刚架梁）选用H型焊接截面，采用Q345B级钢；围护结构（屋面檩条、墙面檩条）选用C型冷弯薄壁型钢，采用Q345级钢；其它未注明的次要构件（钢系杆、拉条、支撑等）采用Q235B级钢；梁柱、梁梁连接节点采用10.9级高强度螺栓连接。
原料库主体结构设计自然条件：
1、抗震设防烈度：6度，设计基本地震加速度值为0.05g；场地类别：Ⅱ类。2、基本雪压：0.55KN/m2 ，雪荷载准永久值系数分区：Ⅰ区，雪荷载准永久值系数0.5。3、基本风压：0.60KN/m2
三、钢结构倒塌原因分析
事故发生后， 根据调查研究发现原料库倒塌有以下几个特点：1、本工程倒塌部分为背风面；2、屋面檩条均出现严重截面扭曲现象为；3、屋面刚架梁均出现严重的扭曲现象；4、梁柱节点、梁梁拼接节点均未出现明显的破坏现象。
综合分析本工程设计文件和钢结构厂房实际情况，并结合本次降雪条件及轻钢结构厂房倒塌出现的特点，本次事故原因可以简单概括为以下几点：
1、自然条件：屋面积雪过厚，事故发生后，经业主现场取样实测，本次降雪导致屋面积雪（冰）情况如下：迎风面积雪厚度达36cm，折合屋面雪荷载0.63KN/m2；背风面积雪厚度达41cm，折合屋面雪荷载0.72KN/m2；雪荷载均超过当地基本雪压，雪荷载已经超出《建筑结构荷载规范》中规定的限值。
2、设计中存在的问题：1）设计过程中雪荷载取值错误；2）屋面刚架梁隅撑设置位置不合理；3）刚架梁腹板高厚比不满足规范要求。
3、施工过程中存在的问题：1）屋面檩条体系中檐口处斜拉条未安装；2）刚架柱隅撑未安装。
四、设计缺陷分析
根据降雪情况的描述，本工程倒塌主要原因应该为雪荷载超限。但经过对原结构设计的深入分析，发现原结构在设计过程中存在重大失误，即雪荷载取值过程中未考虑屋面积雪分布系数中的不均匀分布情况。根据《建筑结构荷载规范》屋面积雪分布系数表7.2.1，及相应注释。可得出以下两点结论：1、屋面檩条应按照积雪不均匀分布的最不利情况采用；2、本工程屋架为多跨（三跨）双坡，屋架应分别按全跨积雪均匀分布、不均匀分布和半跨均匀分布按最不利情况采用。本工程屋面积雪分布系数按照《建筑结构荷载规范》表7.2.1中第2项采用。
在查阅原结构设计文件过程中，我们发现原结构设计中屋面构件及钢屋架均未考虑屋面积雪不均匀分布情况，存在设计深度不够，设计工况缺失状况。采用中国建筑科学研究院开发的计算机辅助设计PKPM系列软件对本工程结构设计进行补充计算并校核原结构设计。情况汇总如下： 1、屋面檩条考虑积雪不均分布情况和均匀分布情况对比。
屋面檩条截面C250X75X20X2.5（Q345），檩条间距1.5m。
屋面积雪
分布情况 截面
强度 整体稳定 设计限值
（N/mm2） 挠度 应力比
积雪均匀分布 270 通过构造实现整体稳定 300 1/173 0.9
积雪不均匀分布 331 通过构造实现整体稳定 300 1/150 1.1
通过上表我们可以发现，屋面檩条在考虑积雪不均匀分布情况下，强度已不能满足承载力要，存在重大设计缺陷。同时设计中屋面檩条整体稳定性通过构造保证，而实际上通过对现场未倒塌的钢结构做检查时，发现屋面檩条间的拉条、撑杆、斜拉条均存在未张紧情况，个别位置甚至有缺失。因此我们可以认为本工程屋面檩条的整体稳定性通过构造来实现是不太现实的。
2、钢屋架考虑积雪均匀分布、不均匀分布和半跨均匀分布情况对比。
以檐口部位的刚架梁、刚架柱为例，相应指标见下表
构件种类 屋面积雪
分布情况 抗弯强度
应力比 平面内稳定应力比 平面外稳定应力比 梁柱最大
弯矩KN.m
刚架柱 均匀分布 0.83 0.92 0.91 553
不均匀分布 0.84 0.93 0.93 559
半跨均匀分布 0.63 0.73 0.75 418
刚架梁 均匀分布 0.92 0.86 0.88 741
不均匀分布 1.05 0.92 0.98 814
半跨均匀分布 0.69 0.65 0.67 729
通过上表我们可以发现，钢屋架在考虑积雪不均匀分布情况下，强度已不能满足承载力要，存在重大设计缺陷。同时设计中刚架梁整体稳定性计算时考虑屋面隅撑的影响，即采用屋面檩条作为刚架梁平面外支撑，以减小刚架梁的平面外计算长度。通过对屋面檩条考虑不均匀积雪情况下的验算可知，屋面檩条在已经不能满足承载力要求作为刚架梁的平面外支撑是不可行的。其实通过对现场刚架梁的破坏现进行观察，已经表明本工程刚架梁的破坏属于整体失稳破坏。
五、结论
1、由于轻型门式刚架结构在结构设计工程中屋面活荷载的取值为0.3kN /m2 （ 受荷水平投影面积超过60m2 ），结构在常规荷载作用时能满足使用要求，但当结构遭遇非常规雪荷载作用时，结构的安全储备通常不够，应在非常规荷载作用时，对结构采用适当构造措施，降低非常规荷载对结构的不利影响。2、由于轻型门式刚架结构中刚架梁、刚架柱一般都采用高宽比较大的H型截面，在结构设计过程中应特别注意截面的平面外稳定性，应采取可靠地构造措施满足计算假定。3、结构设计师应加深对规范条文的理解，避免单纯的依靠计算软件默认设置进行结构设计。4、该类型结构验收过程中，应加检查，切实避免各种施工缺陷。
参考文献
[1] CECS 102：2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.北京.中国计划出版社.
[2] GB50009-2001（2006年版） 建筑结构荷载规范.北京. 中国建筑工业出版社.2004
[3] 钢结构设计手册编辑编委会.钢结构设计手册（第三版）.中国建筑工业出版社.2004
[4] 轻型钢结构设计手册编辑委员会. 轻型钢结构设计手册（第二版）. 中国建筑工业出版社.2006
[5] 雷宏刚.钢结构事故分析与处理.中国建材工业出版社.2003
[6] 郭耀杰.钢结构稳定设计.武汉大学出版社.2003
[7] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南（第二版）. 中国建筑工业出版社.2004
作者简介：杨锁柱，结构部主任工程师，一级注册结构工程师。
【关键词】整体稳定，局部稳定，高厚比，屋面积雪系数，计算长度
引言
钢结构作为一种承重结构，由于其自重轻、强度高、塑性及韧性好、抗震性能优越、工业装配化程度高、综合经济效益显著、造型美观以及符合绿色建筑等众多优点，深受建筑师和结构工程师的青睐，被广泛应用于各类建筑中，尤其在大跨度和超高层建筑领域显示出无以伦比的优势。自上世纪末随着我国钢产量突破亿吨大关，在国家一系列的鼓励性政策的调控下，钢结构的发展势头不可阻挡，真正迎来了我国钢结构发展的春天。
当我们回顾过去几十年钢结构的巨大成就，展望未来钢结构美好的前景的同时，世界范围内钢结构的事故频繁发生，惨痛的教训一再重复。近年来由于钢结构材料缺陷、失稳、疲劳、锈蚀、火灾等原因导致的钢结构事故历历在目，从中我们们可以看出钢结构事故的多样性和严重性。就现状而言，我们应该清楚的认识到两个问题：
一是已建的钢结构由于先天缺陷存在，潜在着事故的危险性；
二是面对未来大规模钢结构建筑的兴建，若不解决好设计、施工和使用等一系列现存的问题，钢结构事故发生的概率必将大大增加。了解酿成事故的各种因素，获得分析和防止事故的能力，也是工程技术人员的所应具有的一种业务素质。
本文结合笔者在实际工程遇到的门式刚架轻型房屋倒塌事故，通过事故原因分析总结其中的失败教训，希望能引起各位结构师的重视，避免在今后的钢结构工程中发生类似的问题。
一、项目概况
大亚木业有限公司中密度纤维板项目位于黑龙江省绥芬河市，是一个以木材加工为主的工业项目。
本项目建设总投资7.5亿元人民币，占地面积近30万平米，总建筑面积约10.15万平米，本项目生产辅助用房（办公楼、宿舍楼、制胶车间、中心配电所等）均为多层钢筋混凝土框架结构，建筑面积共计1.21万平米；其余生产车间（主车间、成品库、原料库、深加工车间、木片库等）均为单层轻型门式刚架结构，建筑面积共计8.91万平米。
二、 钢结构事故情况及自然条件
2010年11月8日，绥芬河地区突降暴雪（短时伴随雨夹雪），导致屋面积雪严重。第二天上午本项目中原料库在不堪雪压重负的情况下发生倒塌，倒塌面积1000多平方米。现场倒塌情况见附图1至4。
附图 1 钢柱破坏形 附图 2 围护结构破坏形式
附图 3 钢梁破坏形式 附图 4 檩条破坏形式
原料库基本情况描述：原料库平面尺寸90mx72m，柱距9m，开间尺寸72m（24mx3）；建筑面积6620m2；檐口高度7.5m，屋面采用双坡，坡度1：10；结构主材（刚架柱、刚架梁）选用H型焊接截面，采用Q345B级钢；围护结构（屋面檩条、墙面檩条）选用C型冷弯薄壁型钢，采用Q345级钢；其它未注明的次要构件（钢系杆、拉条、支撑等）采用Q235B级钢；梁柱、梁梁连接节点采用10.9级高强度螺栓连接。
原料库主体结构设计自然条件：
1、抗震设防烈度：6度，设计基本地震加速度值为0.05g；场地类别：Ⅱ类。2、基本雪压：0.55KN/m2 ，雪荷载准永久值系数分区：Ⅰ区，雪荷载准永久值系数0.5。3、基本风压：0.60KN/m2
三、钢结构倒塌原因分析
事故发生后， 根据调查研究发现原料库倒塌有以下几个特点：1、本工程倒塌部分为背风面；2、屋面檩条均出现严重截面扭曲现象为；3、屋面刚架梁均出现严重的扭曲现象；4、梁柱节点、梁梁拼接节点均未出现明显的破坏现象。
综合分析本工程设计文件和钢结构厂房实际情况，并结合本次降雪条件及轻钢结构厂房倒塌出现的特点，本次事故原因可以简单概括为以下几点：
1、自然条件：屋面积雪过厚，事故发生后，经业主现场取样实测，本次降雪导致屋面积雪（冰）情况如下：迎风面积雪厚度达36cm，折合屋面雪荷载0.63KN/m2；背风面积雪厚度达41cm，折合屋面雪荷载0.72KN/m2；雪荷载均超过当地基本雪压，雪荷载已经超出《建筑结构荷载规范》中规定的限值。
2、设计中存在的问题：1）设计过程中雪荷载取值错误；2）屋面刚架梁隅撑设置位置不合理；3）刚架梁腹板高厚比不满足规范要求。
3、施工过程中存在的问题：1）屋面檩条体系中檐口处斜拉条未安装；2）刚架柱隅撑未安装。
四、设计缺陷分析
根据降雪情况的描述，本工程倒塌主要原因应该为雪荷载超限。但经过对原结构设计的深入分析，发现原结构在设计过程中存在重大失误，即雪荷载取值过程中未考虑屋面积雪分布系数中的不均匀分布情况。根据《建筑结构荷载规范》屋面积雪分布系数表7.2.1，及相应注释。可得出以下两点结论：1、屋面檩条应按照积雪不均匀分布的最不利情况采用；2、本工程屋架为多跨（三跨）双坡，屋架应分别按全跨积雪均匀分布、不均匀分布和半跨均匀分布按最不利情况采用。本工程屋面积雪分布系数按照《建筑结构荷载规范》表7.2.1中第2项采用。
在查阅原结构设计文件过程中，我们发现原结构设计中屋面构件及钢屋架均未考虑屋面积雪不均匀分布情况，存在设计深度不够，设计工况缺失状况。采用中国建筑科学研究院开发的计算机辅助设计PKPM系列软件对本工程结构设计进行补充计算并校核原结构设计。情况汇总如下： 1、屋面檩条考虑积雪不均分布情况和均匀分布情况对比。
屋面檩条截面C250X75X20X2.5（Q345），檩条间距1.5m。
屋面积雪
分布情况 截面
强度 整体稳定 设计限值
（N/mm2） 挠度 应力比
积雪均匀分布 270 通过构造实现整体稳定 300 1/173 0.9
积雪不均匀分布 331 通过构造实现整体稳定 300 1/150 1.1
通过上表我们可以发现，屋面檩条在考虑积雪不均匀分布情况下，强度已不能满足承载力要，存在重大设计缺陷。同时设计中屋面檩条整体稳定性通过构造保证，而实际上通过对现场未倒塌的钢结构做检查时，发现屋面檩条间的拉条、撑杆、斜拉条均存在未张紧情况，个别位置甚至有缺失。因此我们可以认为本工程屋面檩条的整体稳定性通过构造来实现是不太现实的。
2、钢屋架考虑积雪均匀分布、不均匀分布和半跨均匀分布情况对比。
以檐口部位的刚架梁、刚架柱为例，相应指标见下表
构件种类 屋面积雪
分布情况 抗弯强度
应力比 平面内稳定应力比 平面外稳定应力比 梁柱最大
弯矩KN.m
刚架柱 均匀分布 0.83 0.92 0.91 553
不均匀分布 0.84 0.93 0.93 559
半跨均匀分布 0.63 0.73 0.75 418
刚架梁 均匀分布 0.92 0.86 0.88 741
不均匀分布 1.05 0.92 0.98 814
半跨均匀分布 0.69 0.65 0.67 729
通过上表我们可以发现，钢屋架在考虑积雪不均匀分布情况下，强度已不能满足承载力要，存在重大设计缺陷。同时设计中刚架梁整体稳定性计算时考虑屋面隅撑的影响，即采用屋面檩条作为刚架梁平面外支撑，以减小刚架梁的平面外计算长度。通过对屋面檩条考虑不均匀积雪情况下的验算可知，屋面檩条在已经不能满足承载力要求作为刚架梁的平面外支撑是不可行的。其实通过对现场刚架梁的破坏现进行观察，已经表明本工程刚架梁的破坏属于整体失稳破坏。
五、结论
1、由于轻型门式刚架结构在结构设计工程中屋面活荷载的取值为0.3kN /m2 （ 受荷水平投影面积超过60m2 ），结构在常规荷载作用时能满足使用要求，但当结构遭遇非常规雪荷载作用时，结构的安全储备通常不够，应在非常规荷载作用时，对结构采用适当构造措施，降低非常规荷载对结构的不利影响。2、由于轻型门式刚架结构中刚架梁、刚架柱一般都采用高宽比较大的H型截面，在结构设计过程中应特别注意截面的平面外稳定性，应采取可靠地构造措施满足计算假定。3、结构设计师应加深对规范条文的理解，避免单纯的依靠计算软件默认设置进行结构设计。4、该类型结构验收过程中，应加检查，切实避免各种施工缺陷。
参考文献
[1] CECS 102：2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程.北京.中国计划出版社.
[2] GB50009-2001（2006年版） 建筑结构荷载规范.北京. 中国建筑工业出版社.2004
[3] 钢结构设计手册编辑编委会.钢结构设计手册（第三版）.中国建筑工业出版社.2004
[4] 轻型钢结构设计手册编辑委员会. 轻型钢结构设计手册（第二版）. 中国建筑工业出版社.2006
[5] 雷宏刚.钢结构事故分析与处理.中国建材工业出版社.2003
[6] 郭耀杰.钢结构稳定设计.武汉大学出版社.2003
[7] 陈绍蕃.钢结构稳定设计指南（第二版）. 中国建筑工业出版社.2004
作者简介：杨锁柱，结构部主任工程师，一级注册结构工程师。