《大跨度压型钢板拱壳屋顶倒塌事故分析》魏秀军

论文标题：大跨度压型钢板拱壳屋顶倒塌事故分析

作者：魏秀军、贾玉新、闫桂芬

沈阳市建筑工程质量检测中心

摘要：压型钢板拱型屋顶在我国还是发展中技术，存在许多不完备之处，设计计算按照平面拱理论，并采用普通钢结构稳定计算公式进行设计，其理论模型与结构实际存在差异，施工及质量验收尚无统一标准。文章从数起大跨度压型钢板拱型屋顶的塌落事故调查中分析，结构设计、计算方法不合理及施工质量存在缺陷是倒塌的主要原因。

关键词：大跨度，拱壳，事故

辽河饲料6栋彩板屋顶[1]、沈阳市苏家屯区某农贸市场[2]、西丰县某农贸市场等九处压型钢板拱壳结构屋顶相继塌落，直接经济损失累计超千万元幸未造成人员伤亡和设备损坏。经调查分析这些事故都有相同的倒塌原因，本文仅择一例进行分析。

一、事故概况

沈阳市苏家屯区某农贸市场总面积为1.31万㎡，营业大厅的屋顶采用双拱型压型钢板拱壳结构面积约4000㎡，跨度方向短为南北向长为78m，宽25m，矢高1:5，下部边缘结构为钢筋混凝土框架结构，山墙为带钢筋抗风柱拱型框架顶部柱高2.7m四周包括山墙在内每个框架，柱上均设斜柱支撑。

1999年11至2000年1月，沈阳地区连续下了几场大雪，累计降雪量达72.5mm，为几十年来所罕见，在降雪过程中相伴北风最大风速为14.7m/s。2000年1月该营业大厅北跨塌落，南跨未塌但已有变形。

二、压型钢板拱材质及施工工艺

（1）材质。屋顶压型钢板采用宝山钢铁集团公司生产的热镀锌彩涂冷轧板，牌号为TSTE28，抗拉强度σb为450MPa，伸长率δ为28%，彩色钢板厚度为1.2mm

（2）施工工艺.首先彩板在施工现场经韩国产可移式辊压成型机连续冷模辊压成带有横向波纹的梯型截面拱型槽板槽板，肋高为203mm，板宽610mm。然后将3块成型的单块槽型拱板用锁边机咬合成一组，再成组吊装到屋顶就位，在屋顶上各组之间用锁边机咬合成整体。拱脚采用自攻自钻螺钉固定在边缘结构的钢托板上，最后在拱壳内侧顶喷不同厚度的聚氨酯以达到保温效果。

三、倒塌原因分析

3.1雪荷半跨偏载

现场实测未塌的南大厅顶顶积雪最深处超过670mm，位置靠近顶部矢高附近。这是因为在西北风作用下，拱跨中北半跨的积雪被刮到南半跨所致这种半跨偏载要比半跨均匀受载更加不利。这是造成事故的客观诱导因素。

3.2结构设计计算欠准确，

80年代末我国开始研究引用压型钢板拱壳结构，目前我国尚没有完整的设计计算方法。一些单位在无结构试验的情况下直接采用国外引进的软件，结合我国的钢结构设计规范进行设计。从美、韩等国的计算机软件分析可以看出，国外这类结构的设计均是按照平面拱理论进行[2]，对于结构的局部稳定问题，有的软件不予考虑；有的软件在结构截面验算时通过有效宽度予以考虑，而结构的整体稳定均套用普通钢结构稳定计算公式、按照国外的设计计算理论，在设计荷载下有着相当大的安全储备。

近几年辽宁地区十五、六起屋顶倒塌事故说明，国外的压型钢板拱壳结构设计理论不合理，这是造成屋盖倒塌的主要原因。

3.3施工质量存在缺陷

据塌落现场目击者讲，塌落前屋顶压型拱板在靠近山墙处撕裂，裂缝逐渐增大，经3~5h后，整体坍塌。经现场检测发现，破坏处均为板带之间的连接咬合口撕开拉脱。同时，也发现咬合钢板很不平滑，许多地方沿拱圈方向呈折皱状，局部翘曲，甚至是波浪形，在屋顶上施工咬合工序的拱板不平滑现象普遍且更为严重。这都说明拱板之间咬合不牢，拱条间的连系很差，缺乏整体性，这是倒塌事故的重要原因。

此外，本工程拱脚支座采用铰接型，每个板带用4个自攻自钻螺钉与支承钢托板锚接，现场发现螺钉的锚接质量差，螺钉大多锈蚀严重且锚固安装不牢，拨出的螺钉没有新鲜刻痕，有的剪断的螺钉截面处已有锈蚀。以上均说明螺钉与钢托板间锚固不牢，一拔即脱，因此，施工安装质量不好，也是促使屋盖过早过快塌落的一个原因。

四、讨论和结论

4.1压型钢板拱型屋顶的理论分析压型钢板拱型屋面属于薄壳结构，壁很薄，对于集中荷载极为敏感。采用平面拱理论及钢结构稳定计算公式]进行分析是不科学的。

（1）压型钢板拱型结构为空间拱型且呈空间受力，若按平面问题考虑，横向作用只能视为泊松效应，这与实际情况不符。

（2）拱板结构上遍布波纹，按平面拱计算，波纹对结构受力的影响被忽略了。

（3）钢结构稳定计算公式不适用于这种带有波纹的拱型薄壁结构。

鉴于这种结构的结构特点及国内外这种结构的研究状况，有关研究人员应用空间壳体的有限元理论（4，采用广义协调平板型四边形壳元对拱型屋顶进行分析，分析中考虑了结构的几何非线性，并在一定程度上考虑了波纹构造的影响。

4.2静力试验

通过有关专家的试验]表明：

（1）金属压型拱板屋顶属于空间结构。

（2）压型拱板的横向波纹对结构受力影响很大，分析中要考虑波纹效应。

（3）稳定问题是这类结构的控制问题，局部的折屈曲后对稳定性能影响很大。

（4）薄壁壳体结构对各种构造缺陷极为敏感，施工质量对结构承载力的影响难以定量估计。

（5）梯形截面压型拱板在跨度较大时，全跨荷载作用下及半跨荷载作用下的结构承载力是很低的。

以上的理论分析和静力稳定承载力试验较接近压型拱板屋面实际受力情况，为完善这类结构的设计理论提供了一种方法。

4.3结论

（1）采用平面拱理论及普通钢结构稳定公式设计压型钢板拱型屋顶结构是不安全的。

（2）保证拱板之间咬合牢固，紧密联接，是保证工程质量的关键。

（3）加强构造设计，避免施工质量缺陷，精心维护是保证该类结构屋顶正常使用的一个条件。

参考文献

[1]沈阳市苏家屯区某农贸市场棚盖倒塌事故技术鉴定报告沈阳市建筑工程质量检测中心.2000

[2]王树铭，汪浩，徐雁安等.大跨度薄壁褶皱拱型钢板屋顶塌落事故的调查与分析.建筑技术.1997（9）

[3]钢结构技术规范（GBJ17-88)

[4]张福海，张勇，刘锡良.几何非线性有限元分析中一种广义协调平板型四边形壳元.建筑结构学报.1987（2)

[5]张福海，张勇，刘锡良.银河金属拱型波纹屋顶的静力稳定承载力试验研究.建筑结构学报.1997（6）

收稿日期：2000-04-10

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