某燒結廠房屋蓋系統垮塌分析研究（建筑）

              劉  俊，  董振平，  王應生，  徐  秦，  蘇明周

                 （西安建筑科技大學土木工程學院，西安710055）

[摘要]  某鋼鐵公司燒結廠房竣工使用僅一年，①~④軸屋蓋系統突然垮塌。從原設計失誤、屋面積灰荷載遠超設計值、施工質量粗糙等方面人手，通過對垮塌部分受損變形的節點和構件進行調查，對未垮塌的⑤~⑩軸屋蓋及整個廠房排架柱進行檢測，模擬垮塌時屋蓋系統的桿件內力和變形情況，并與現場垮塌部位的桿件變形特點進行對比，分析廠房屋蓋系統垮塌的原因。從廠房工藝特點出發，提出垮塌重建部分的荷載取值、結構形式和支撐體系等方面的建議，對未垮塌部分的加固方案進行優化。最后對廠房使用過程中屋面檢修、清灰措施的制定作了思考。

[關鍵詞]  燒結廠房；排架結構；鋼屋架；積灰荷載；垮塌

中圖分類號：TU392.1  文章編號：1002-848X( 2016) 09-0105-04

1  工程概況

    某鋼鐵公司燒結廠房為混凝土框排架結構，占地面積為1 792m²，總長度為99. 55m，寬度為18. 00m，主體3層、局部5層，標高6.700m和11. 200m處設有設備平臺，放置燒結機和脫硫設備；標高17. 500m和23. 000m處設有設備、操作平臺，放置除塵設備和皮帶傳輸帶；標高23. 000m以上為排架結構，柱頂標高為36. 000m，放置梯形輕質鋼屋架，屋面上設有跨度6. 000m的縱向天窗架，屋面和天窗屋面均采用板厚1. 0mm的單層彩色壓型鋼板，天窗架屋頂標高為41. 280m。廠房設有兩部檢修天車，起吊荷載為50/12. 5t和20/5t，軌頂標高均為32. 500m。該廠房屋蓋系統平面圖如圖1所示。

    該廠房于2012年8月施工完畢并投入使用，2013年8月因除塵設備故障停運，積灰荷載過大，造成環冷部位①~④軸屋蓋突然垮塌，垮塌情況見圖2。

    本文通過統計屋面實際積灰荷載，模擬垮塌時屋蓋系統的桿件內力和變形情況，與現場倒塌部位的桿件、節點的變形破壞特點進行比對，分析廠房屋蓋系統垮塌原因。從廠房工藝特點出發，提出垮塌重建部分的荷載取值、結構形式和支撐體系等方面的建議；并對未垮塌部分的加固方案進行優化。

2  現場調查及檢測

    根據現場情況，參照檢測鑒定技術標準制定該結構的調查檢測方案，從屋面實際積灰荷載、節點構件變形破壞特點、設計圖紙資料查核、施工質量檢測等四方面對廠房結構進行分析研究。

2.1屋面實際積灰荷載

    據使用方介紹，布置于廠房②~③軸間的電除塵設備出現故障，停止運作17d。事故發生后，對屋面積灰厚度進行測量，①~⑤軸間屋面積灰厚度達100mm，其中③軸天窗擋風架內的積灰厚度達300mm;⑤軸以東屋面積灰依次減小，積灰情況見圖3，4。荷載規范規定燒結廠房的積灰天然重度為7.8 k N/m³、飽和重度為15. 8kN/m³；事故調查組對現場屋面積灰取樣，委托第三方實驗室進行測試，該積灰已經出現板結，實際重度達14~18kN/m³。

2.2屋架變形、垮塌特點

    現場對垮塌部分的屋架破壞特點和未垮塌部分的屋架變形情況進行比對，情況表明：

    (1)垮塌部分的擋風架內檁條出現平面外失穩引起的屈曲變形，未垮塌部分的相應位置檁條下撓度達50mm左右，屋面板變形嚴重。

    (2)垮塌部分的屋架斜腹桿扭轉屈曲，雙肢角鋼間的綴條與角鋼焊縫撕裂。

    (3)屋架端部與柱頭間的連接螺栓拉斷、安裝焊縫撕裂。

2.3設計圖紙資料查核

    查閱原設計圖紙和計算資料，原設計存在以下錯誤：

    (1)該廠區所在地抗震設防基本烈度為7度，設計基本地震加速度值為0. 15g，設計地震分組為第三組，而設計圖紙上注明的地震分組為第一組。

    (2)屋面設帶擋灰板的天窗，荷載規范規定積灰荷載在擋灰板內取1.0 k N/m²、擋灰板外取0. 2kN/m²，無擋灰板區域取0.5 k N/m²。而該設計圖紙和計算資料顯示，屋面積灰取值未考慮擋灰板，均按照0.5 k N/m²，即未設置帶擋灰板天窗的屋面取值。

    (3)屋架選自《輕型屋面梯形鋼屋架》( 05G515)，圖集規定：帶縱向天窗的輕鋼屋架柱距不為6. 0m時，須將縱向天窗架簡化為集中荷載，對所選屋架進行驗算。計算資料顯示設計單位未對所選屋架進行驗算。

    從現有資料和相關信息可知，設計單位應是套用了其他未設置縱向天窗架的燒結廠房圖紙，僅在原圖紙上進行了一些改動，對地震分組、積灰荷載取值等基本信息的差異都未進行考慮和修改，所選用的圖集已經不適合該廠房的具體情況。

    為此，筆者嚴格按照荷載規范中的地震分組、荷載取值，并考慮實際桿件約束情況，對屋面系統的檁條和鋼屋架進行內力和穩定性驗算。

    (1)屋面檁條均采用H200×100×3.2×4.5高頻焊接H型鋼，按照不同跨度、不同屋面積灰荷載分別進行驗算，結果見表1。屋頂檁條在強度、整體穩定性和剛度的安全儲備均較低，當活荷載為0. 50kN/m²、積灰荷載達到0. 50kN/m²時，整體穩定性和撓度變形均不滿足要求，截面強度開始接近臨界值。說明在荷載規范規定荷載作用下．屋面檁條的承載能力和抵御變形能力均偏于不安全。

    (2)選擇受荷面積較大、帶天窗架的一榀屋架，用PKPM軟件對各桿件的承載力、穩定性進行分析，桿件截面如圖5所示?？勺兒奢d按照屋面活荷載控制組合工況取值，即1.0×屋面活荷載+0.9×積灰荷載；考慮排架柱傳給屋架的風荷載、吊車運轉橫向剎車荷載等不利因素，在屋架下弦平面處加45 k N的互斥活荷載；主要桿件受力結果見表2。

由表2可知，梯形鋼屋架和檁條的原設計均偏于不安全，富余量較低。屋架上弦在天窗架柱腳處平面外穩定性不滿足要求。

2.4施工質量檢測

    對鋼屋架、弦桿支撐、檁條等桿件、節點進行現場檢測，發現施工質量較差：

    (1)①~②軸處屋架和排架柱的節點連接與設計圖紙不符。屋架下弦處節點應與承力支托刨平頂緊，且上、下支承連接板與柱翼緣為采用普通螺栓連接，而實際施工時上、下支承端部直接焊于柱翼緣，見圖6，7。

    (2)構件定位精度較差，上、下弦支撐與屋架連接點偏差最大達300mm，個別屋架檁條在屋架上弦的擱置長度僅20mm，見圖8，9。

    (3)屋架與排架柱柱頂、支撐與屋架、檁條與屋架間和桿件拼接間的現場焊接質量較差，存在大量的漏焊、虛焊、夾渣、焊縫長度不足、咬邊、搭焊鋼筋等不良現象。    

3  垮塌原因分析

    由現場調查、檢查和原設計復核可知，廠房屋蓋系統的設計、施工和使用均存在諸多安全隱患。按照以下3個假定，對發生垮塌的②軸屋架進行內力計算，基本參數如下：

    (1)可變荷載按照實際發生的為準，即不考慮地震作用、風荷載、吊車荷載、屋面活荷載、屋面雪荷載；僅考慮積灰荷載，根據現場調查和灰厚梯度變化估算②軸受荷面積內的積灰厚度，擋風架內積灰厚度250mm，擋風架外、天窗屋面厚度為75mm，重度為15 k N/m³。

    (2)屋架鋼材設計為Q235級鋼，本次驗算鋼材強度取實驗室屈服強度測試值310MPa。

    (3)所有分項系數按1.0取值。

屋架的A，C，D，E，G點（圖10）處設有上弦剛性系桿，為有效的平面外約束，AC段和EG段的計算長度為6 000mm，設計院提供的自查報告中認為B，F點處的屋面檁條為屋架上弦桿平面外支承點，AC段可以分為計算長度為3 000mm的AB，BC兩段，而抗震規范和計算手冊認為，屋面檁條作為平面外支承點時須滿足兩個條件：1）檁條應與屋架上弦橫向水平支撐在交叉點處相連，以使屋架橫向荷載通過檁條能順利傳出；2）檁條應按照壓彎構件進行強度和穩定性驗算，此時檁條要承受屋面的豎向荷載，還應作為屋架上弦橫向支撐，承受水平方向的壓力。    

原設計圖紙和現場檢測驗算表明：

    (1)檁條和屋架上弦橫向水平支撐的交叉點處未采取螺栓或焊縫連接，構造上不滿足抗震規范和計算手冊的要求。

    (2)該處檁條在僅承受豎向荷載的情況下，按純受彎構件驗算，檁條的強度、整體穩定性及撓度均嚴重不滿足要求；若按壓彎構件計算，檁條承載能力將更弱，這說明實際上，檁條自身的載荷能力也不可能起到屋架上弦平面外支承點的作用。

    綜上可知，屋架上弦桿平面外計算長度應取6 000mm，計算結果見圖10，圖中桿件左側數據為強度應力比，桿件右上為平面內穩定應力比，桿件右下為平面外穩定應力比。上弦桿出現平面外失穩，與垮塌現場進行對比見圖11。桿件變形位置和特點表明，屋面積灰荷載過大，擋風板內檁條嚴重變形，進而造成上弦桿AC，EG段平面外失穩，引起屋面垮塌。

4  加固重建方案優化

4.1屋面重建部分

    已發生垮塌的①~④軸和變形嚴重的④~⑤軸將被拆除，更換為實腹式鋼梁，并在①~②軸、④~⑤軸新設屋面支撐，使新屋面能形成一個獨立、完備的空間體系。燒結廠房是積灰問題比較嚴重的工業建筑，荷載規范顯示：在除塵裝置正常工作的情況下，有擋風板的屋面平均日積灰量達0. 46mm。①~⑤軸間為環冷機尾、除塵機設置區段，更易積灰，在新設計時應將屋面積灰荷載適當放大，擋風板內取1.20kN/m²，擋風架外取0. 50kN/m²，天窗架上

屋面0.70kN/m²。建議在①軸外側增設清灰管道，方便屋面定期清灰。

4.2屋面加固部分

    ⑤~⑩軸距離除塵設備較遠，屋面受積灰影響較小，按照荷載規范中的標準荷載進行驗算、加固。鋼屋架桿件強度基本滿足可靠性要求，雖然安全儲備較低，但考慮到鋼構件截面原本較小等因素，如進行桿件補強處理，焊接、粘結工藝極易對母材造成二次傷害，且高空懸吊作業也不能保障施工質量，建議僅對節點連接處的焊接質量進行普查、補焊，同時以更新除灰設備、嚴格除灰制度管理等措施，減小實際荷載，達到增強屋架安全性的效果。

    屋架上弦桿的平面外穩定性嚴重不足，建議在B，F點增設剛性系桿，減小上弦桿的平面外計算長度，增強屋架的平面外穩定性。

    屋面檁條截面選型偏小，建議將截面強度、穩定性和剛度嚴重不足，扭曲、下撓明顯的⑤~軸間擋風板內、~軸間9m跨等處屋面檁條拆除、重新選型安裝。

5  結論

    造成該廠房屋面垮塌事故的主要原因是屋面積灰劇增，從而引起檁條的嚴重變形、鋼屋架上弦桿件的平面外失穩；事故的根源是設計失誤、施工質量粗糙、疏于管理。針對垮塌原因分析結果，以下幾點值得思考：

    (1)工程設計單位應有認真負責的態度，設計地震分組、屋面積灰荷載取值等錯誤應當避免；鋼結構穩定性計算時的長度取值應根據約束情況仔細選??；套用標準圖集時應比對使用條件，并對重要部分進行復核驗算。

    (2)施工單位疏于管理，僅柱頂74mm的垂直度偏差就說明“工程質量是施工企業的生命”的企業文化并沒有落到實處；而隨意改動原設計圖紙中的節點連接，改變受力體系，為結構安全帶來很大隱患。

    (3)現場監理未能有效監督施工質量，施工缺陷未能在竣工驗收前及時消除。

    (4)屋面積灰過大是誘發本次屋面垮塌的因素。設計時未設置清灰設施，使用方未建立完善的定期清灰制度，除塵裝置發生故障后近20d無人修理致使灰塵量劇增，加快了不安全事故的發生。