某烧结厂房屋盖系统垮塌分析研究（建筑）

              刘  俊，  董振平，  王应生，  徐  秦，  苏明周

                 （西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）

[摘要]  某钢铁公司烧结厂房竣工使用仅一年，①~④轴屋盖系统突然垮塌。从原设计失误、屋面积灰荷载远超设计值、施工质量粗糙等方面人手，通过对垮塌部分受损变形的节点和构件进行调查，对未垮塌的⑤~⑩轴屋盖及整个厂房排架柱进行检测，模拟垮塌时屋盖系统的杆件内力和变形情况，并与现场垮塌部位的杆件变形特点进行对比，分析厂房屋盖系统垮塌的原因。从厂房工艺特点出发，提出垮塌重建部分的荷载取值、结构形式和支撑体系等方面的建议，对未垮塌部分的加固方案进行优化。最后对厂房使用过程中屋面检修、清灰措施的制定作了思考。

[关键词]  烧结厂房；排架结构；钢屋架；积灰荷载；垮塌

中图分类号：TU392.1  文章编号：1002-848X( 2016) 09-0105-04

1  工程概况

    某钢铁公司烧结厂房为混凝土框排架结构，占地面积为1 792m²，总长度为99. 55m，宽度为18. 00m，主体3层、局部5层，标高6.700m和11. 200m处设有设备平台，放置烧结机和脱硫设备；标高17. 500m和23. 000m处设有设备、操作平台，放置除尘设备和皮带传输带；标高23. 000m以上为排架结构，柱顶标高为36. 000m，放置梯形轻质钢屋架，屋面上设有跨度6. 000m的纵向天窗架，屋面和天窗屋面均采用板厚1. 0mm的单层彩色压型钢板，天窗架屋顶标高为41. 280m。厂房设有两部检修天车，起吊荷载为50/12. 5t和20/5t，轨顶标高均为32. 500m。该厂房屋盖系统平面图如图1所示。

    该厂房于2012年8月施工完毕并投入使用，2013年8月因除尘设备故障停运，积灰荷载过大，造成环冷部位①~④轴屋盖突然垮塌，垮塌情况见图2。

    本文通过统计屋面实际积灰荷载，模拟垮塌时屋盖系统的杆件内力和变形情况，与现场倒塌部位的杆件、节点的变形破坏特点进行比对，分析厂房屋盖系统垮塌原因。从厂房工艺特点出发，提出垮塌重建部分的荷载取值、结构形式和支撑体系等方面的建议；并对未垮塌部分的加固方案进行优化。

2  现场调查及检测

    根据现场情况，参照检测鉴定技术标准制定该结构的调查检测方案，从屋面实际积灰荷载、节点构件变形破坏特点、设计图纸资料查核、施工质量检测等四方面对厂房结构进行分析研究。

2.1屋面实际积灰荷载

    据使用方介绍，布置于厂房②~③轴间的电除尘设备出现故障，停止运作17d。事故发生后，对屋面积灰厚度进行测量，①~⑤轴间屋面积灰厚度达100mm，其中③轴天窗挡风架内的积灰厚度达300mm;⑤轴以东屋面积灰依次减小，积灰情况见图3，4。荷载规范规定烧结厂房的积灰天然重度为7.8 k N/m³、饱和重度为15. 8kN/m³；事故调查组对现场屋面积灰取样，委托第三方实验室进行测试，该积灰已经出现板结，实际重度达14~18kN/m³。

2.2屋架变形、垮塌特点

    现场对垮塌部分的屋架破坏特点和未垮塌部分的屋架变形情况进行比对，情况表明：

    (1)垮塌部分的挡风架内檩条出现平面外失稳引起的屈曲变形，未垮塌部分的相应位置檩条下挠度达50mm左右，屋面板变形严重。

    (2)垮塌部分的屋架斜腹杆扭转屈曲，双肢角钢间的缀条与角钢焊缝撕裂。

    (3)屋架端部与柱头间的连接螺栓拉断、安装焊缝撕裂。

2.3设计图纸资料查核

    查阅原设计图纸和计算资料，原设计存在以下错误：

    (1)该厂区所在地抗震设防基本烈度为7度，设计基本地震加速度值为0. 15g，设计地震分组为第三组，而设计图纸上注明的地震分组为第一组。

    (2)屋面设带挡灰板的天窗，荷载规范规定积灰荷载在挡灰板内取1.0 k N/m²、挡灰板外取0. 2kN/m²，无挡灰板区域取0.5 k N/m²。而该设计图纸和计算资料显示，屋面积灰取值未考虑挡灰板，均按照0.5 k N/m²，即未设置带挡灰板天窗的屋面取值。

    (3)屋架选自《轻型屋面梯形钢屋架》( 05G515)，图集规定：带纵向天窗的轻钢屋架柱距不为6. 0m时，须将纵向天窗架简化为集中荷载，对所选屋架进行验算。计算资料显示设计单位未对所选屋架进行验算。

    从现有资料和相关信息可知，设计单位应是套用了其他未设置纵向天窗架的烧结厂房图纸，仅在原图纸上进行了一些改动，对地震分组、积灰荷载取值等基本信息的差异都未进行考虑和修改，所选用的图集已经不适合该厂房的具体情况。

    为此，笔者严格按照荷载规范中的地震分组、荷载取值，并考虑实际杆件约束情况，对屋面系统的檩条和钢屋架进行内力和稳定性验算。

    (1)屋面檩条均采用H200×100×3.2×4.5高频焊接H型钢，按照不同跨度、不同屋面积灰荷载分别进行验算，结果见表1。屋顶檩条在强度、整体稳定性和刚度的安全储备均较低，当活荷载为0. 50kN/m²、积灰荷载达到0. 50kN/m²时，整体稳定性和挠度变形均不满足要求，截面强度开始接近临界值。说明在荷载规范规定荷载作用下．屋面檩条的承载能力和抵御变形能力均偏于不安全。

    (2)选择受荷面积较大、带天窗架的一榀屋架，用PKPM软件对各杆件的承载力、稳定性进行分析，杆件截面如图5所示。可变荷载按照屋面活荷载控制组合工况取值，即1.0×屋面活荷载+0.9×积灰荷载；考虑排架柱传给屋架的风荷载、吊车运转横向刹车荷载等不利因素，在屋架下弦平面处加45 k N的互斥活荷载；主要杆件受力结果见表2。

由表2可知，梯形钢屋架和檩条的原设计均偏于不安全，富余量较低。屋架上弦在天窗架柱脚处平面外稳定性不满足要求。

2.4施工质量检测

    对钢屋架、弦杆支撑、檩条等杆件、节点进行现场检测，发现施工质量较差：

    (1)①~②轴处屋架和排架柱的节点连接与设计图纸不符。屋架下弦处节点应与承力支托刨平顶紧，且上、下支承连接板与柱翼缘为采用普通螺栓连接，而实际施工时上、下支承端部直接焊于柱翼缘，见图6，7。

    (2)构件定位精度较差，上、下弦支撑与屋架连接点偏差最大达300mm，个别屋架檩条在屋架上弦的搁置长度仅20mm，见图8，9。

    (3)屋架与排架柱柱顶、支撑与屋架、檩条与屋架间和杆件拼接间的现场焊接质量较差，存在大量的漏焊、虚焊、夹渣、焊缝长度不足、咬边、搭焊钢筋等不良现象。    

3  垮塌原因分析

    由现场调查、检查和原设计复核可知，厂房屋盖系统的设计、施工和使用均存在诸多安全隐患。按照以下3个假定，对发生垮塌的②轴屋架进行内力计算，基本参数如下：

    (1)可变荷载按照实际发生的为准，即不考虑地震作用、风荷载、吊车荷载、屋面活荷载、屋面雪荷载；仅考虑积灰荷载，根据现场调查和灰厚梯度变化估算②轴受荷面积内的积灰厚度，挡风架内积灰厚度250mm，挡风架外、天窗屋面厚度为75mm，重度为15 k N/m³。

    (2)屋架钢材设计为Q235级钢，本次验算钢材强度取实验室屈服强度测试值310MPa。

    (3)所有分项系数按1.0取值。

屋架的A，C，D，E，G点（图10）处设有上弦刚性系杆，为有效的平面外约束，AC段和EG段的计算长度为6 000mm，设计院提供的自查报告中认为B，F点处的屋面檩条为屋架上弦杆平面外支承点，AC段可以分为计算长度为3 000mm的AB，BC两段，而抗震规范和计算手册认为，屋面檩条作为平面外支承点时须满足两个条件：1）檩条应与屋架上弦横向水平支撑在交叉点处相连，以使屋架横向荷载通过檩条能顺利传出；2）檩条应按照压弯构件进行强度和稳定性验算，此时檩条要承受屋面的竖向荷载，还应作为屋架上弦横向支撑，承受水平方向的压力。    

原设计图纸和现场检测验算表明：

    (1)檩条和屋架上弦横向水平支撑的交叉点处未采取螺栓或焊缝连接，构造上不满足抗震规范和计算手册的要求。

    (2)该处檩条在仅承受竖向荷载的情况下，按纯受弯构件验算，檩条的强度、整体稳定性及挠度均严重不满足要求；若按压弯构件计算，檩条承载能力将更弱，这说明实际上，檩条自身的载荷能力也不可能起到屋架上弦平面外支承点的作用。

    综上可知，屋架上弦杆平面外计算长度应取6 000mm，计算结果见图10，图中杆件左侧数据为强度应力比，杆件右上为平面内稳定应力比，杆件右下为平面外稳定应力比。上弦杆出现平面外失稳，与垮塌现场进行对比见图11。杆件变形位置和特点表明，屋面积灰荷载过大，挡风板内檩条严重变形，进而造成上弦杆AC，EG段平面外失稳，引起屋面垮塌。

4  加固重建方案优化

4.1屋面重建部分

    已发生垮塌的①~④轴和变形严重的④~⑤轴将被拆除，更换为实腹式钢梁，并在①~②轴、④~⑤轴新设屋面支撑，使新屋面能形成一个独立、完备的空间体系。烧结厂房是积灰问题比较严重的工业建筑，荷载规范显示：在除尘装置正常工作的情况下，有挡风板的屋面平均日积灰量达0. 46mm。①~⑤轴间为环冷机尾、除尘机设置区段，更易积灰，在新设计时应将屋面积灰荷载适当放大，挡风板内取1.20kN/m²，挡风架外取0. 50kN/m²，天窗架上

屋面0.70kN/m²。建议在①轴外侧增设清灰管道，方便屋面定期清灰。

4.2屋面加固部分

    ⑤~⑩轴距离除尘设备较远，屋面受积灰影响较小，按照荷载规范中的标准荷载进行验算、加固。钢屋架杆件强度基本满足可靠性要求，虽然安全储备较低，但考虑到钢构件截面原本较小等因素，如进行杆件补强处理，焊接、粘结工艺极易对母材造成二次伤害，且高空悬吊作业也不能保障施工质量，建议仅对节点连接处的焊接质量进行普查、补焊，同时以更新除灰设备、严格除灰制度管理等措施，减小实际荷载，达到增强屋架安全性的效果。

    屋架上弦杆的平面外稳定性严重不足，建议在B，F点增设刚性系杆，减小上弦杆的平面外计算长度，增强屋架的平面外稳定性。

    屋面檩条截面选型偏小，建议将截面强度、稳定性和刚度严重不足，扭曲、下挠明显的⑤~轴间挡风板内、~轴间9m跨等处屋面檩条拆除、重新选型安装。

5  结论

    造成该厂房屋面垮塌事故的主要原因是屋面积灰剧增，从而引起檩条的严重变形、钢屋架上弦杆件的平面外失稳；事故的根源是设计失误、施工质量粗糙、疏于管理。针对垮塌原因分析结果，以下几点值得思考：

    (1)工程设计单位应有认真负责的态度，设计地震分组、屋面积灰荷载取值等错误应当避免；钢结构稳定性计算时的长度取值应根据约束情况仔细选取；套用标准图集时应比对使用条件，并对重要部分进行复核验算。

    (2)施工单位疏于管理，仅柱顶74mm的垂直度偏差就说明“工程质量是施工企业的生命”的企业文化并没有落到实处；而随意改动原设计图纸中的节点连接，改变受力体系，为结构安全带来很大隐患。

    (3)现场监理未能有效监督施工质量，施工缺陷未能在竣工验收前及时消除。

    (4)屋面积灰过大是诱发本次屋面垮塌的因素。设计时未设置清灰设施，使用方未建立完善的定期清灰制度，除尘装置发生故障后近20d无人修理致使灰尘量剧增，加快了不安全事故的发生。