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《某拱形波纹钢屋盖结构倒塌事故分析》李红星

拱形屋顶厂家 2019-07-20 15:44:45 学术论文 7771 ℃ 2468 评论

论文标题：某拱形波纹钢屋盖结构倒塌事故分析

李红星（西北电力设计院，西安，710075)

白国良，雷怡生，岳健广（西安建筑科技大学，土木工程学院，西安，710055）

摘要：拱形波纹钢屋盖结构因造价低廉、施工速度快等优点而常被应用于仓储类简易结构。由于研究较少，相关技术规程2005年才颁布实施，在此之前由于设计理论不统一等原因各地工程事故频频出现。针对一典型屋盖倒塌工程事故，采用不同计算方法进行分析，同时分析风荷载取值、风动力效应等因素对屋盖倒塌的影响。结果表明，风荷载和风动力作用是造成倒塌的主要原因，设计时应根据结构所处位置综合考虑荷载取值，规程所采用的计算方法具有一定的安全度，可以用于此类屋盖结构的设计。

关键词：拱形波纹钢屋盖事故风荷载建议

拱形波纹钢屋盖结构是目前国内大跨度仓储式结构中常用的一种屋面结构形式。拱形波纹钢屋盖结构集受力和围护双重功能为一身，将传统的由屋面梁（或屋架）和屋面板组成的屋盖结构系统简化，能够较大限度地利用材料。这种屋盖结构形式由于其施工速度快、造价低廉、自重轻、外形美观、建筑空间大等优点而备受青睐。研究表明，拱形波纹钢屋盖结构的临界承载力是结构几何非线性和物理非线性共同作用的结果。

《拱形波纹钢屋盖结构技术规程》（CECS164:2004）（以下简“规程”）中建立了统一的设计计算方法。但在此之前，对拱形波纹钢屋盖结构的设计还没有形成被广大工程设计人员普遍接受的方法，由于设计理论不统一，工程质量得不到保证工程事故时有发生。针对一典型拱形波纹钢屋盖结构倒塌事故，分别采用文献1，4和被“规程?采用的文献[3]的计算方法分析倒塌原因，探讨该类屋盖结构设计时应注意的问题。

一、事故概况

1.1工程简介

某仓储类大棚结构，四面开敞，无山墙，下部空间用来储藏煤炭。结构为单跨，跨度36m；纵向长度为318m，设有一道伸缩缝；柱顶标高9.0mm拱形波纹钢屋盖结构顶部标高为162m,屋盖矢高比为15。该结构为工字形钢柱，波纹屋盖采用上海宝钢生产的TSTE-28彩钢板，钢板厚度为1.5mm,为240机型。波纹屋盖和柱顶天沟的斜板采用自攻螺丝连接。

紧邻该大棚北侧（约15m)有一跨度更大的四周开敞的仓储结构。该结构跨度55m柱顶标高161m，屋盖顶部标高24m。柱子为三管格构式圆管柱，屋架为三管格构式桁架。结构地处黄河岸边，为风口部位。设计时按毗邻的某城市设计风压取值，基本风压为Q4kN/m2，地面粗糙度B类，风压高度变化系数按《建筑结构荷载规范》（GB50009一2001）(以下简称称规范”）取值；基本雪压Q25kNm2，抗震设防烈度7度，抗震设防类别为丙类，建筑结构安全性等级为二级。结构平、剖面和柱顶做法分别见图1、图2。

1.2事故简介

该工程建成后一周左右，由于当地出现大风天气，屋面第一次垮塌倒塌范围为①~轴。事故发生后，在屋盖外围采用钢筋箍进行了加固保护。一个多月后，当地又出现了大风天气，但是风力比第一次垮塌时风力小，屋面又开始垮塌，倒塌范围为B~①轴。

现场主要破坏特征：④列柱一侧屋盖基本落地，?列柱一侧屋盖在天沟处基本弯折，屋盖悬挂在空中；未倒塌部分的屋盖呈现出典型的拱形结构受力变形状态；倒塌部分的天沟连接部位钢板均严重变形；每个连接节点处有7个自攻螺丝，④列大部分彻底脱开的连接节点中有30%~50%的自攻螺丝处钢板扩孔。螺丝拔出，50%~70%的自攻螺丝有松动迹象，部分螺丝拉断且约25%的自攻螺丝处钢板有被撕裂现象，约5%的钢板被彻底撕断；B列连接节点相对于④列破坏程度明显要轻，但也存在节点钢板扩孔、撕裂，自攻螺丝拔出、拉断现象；自攻螺丝处钢板扩孔内排比外排螺栓严重。现场破坏情况见图3。

二、事故分析

2.1风荷载取值分析

拱形波纹钢屋盖结构属于对风荷载比较敏感的结构形式式4习。对封闭式拱形屋面，风荷载作用下屋盖受风吸力作用，这是一种相对有利的受力方式。“规范”7.3.1条风荷载体型系数表第27项规定了四面开敞双坡屋面的体型系数取值（图4）。该项次的规定可近似作为本工程屋盖风荷载取值的参考依据。但由于双坡屋面和拱形屋盖并不完全相同，取值上做了以下简化：体型系数随a值的变化而变化。对文中的屋盖结构，柱顶处屋盖的切线角度为44，按该值选择以。则取值偏大；柱顶和屋脊顶所连直线的角度为22，按该值选择.则取值偏小。本文在计算时按照两者的平均值选定。M1为1.6Ha为Q4。

由此可见，在风作用下结构所受风荷载并不均匀，扣除平均风压力后，屋盖还将受到较大的半跨风压力（这也说明第一次倒塌后采用外钢箍加固没有太大作用）。在紧邻（1.5m左右）该结构北侧有一跨度和高度更大的开敞式仓储结构，由于当地主导风向为北风北侧结构的存在对南侧拱形波纹钢屋盖结构的风压取值是有影响的。图5为同时考虑两个结构位置和高度时的风流场示意图。

实际上会出现更为不利的半跨风荷载作用。由于以上分析只是定性分析，在没有试验的基础上无法定量，所以本文在计算时还是参考“规范”取值。

2.2结构计算分析

对拱形波纹钢屋盖结构，文献[1，2]根据足尺试验研究，认为该类屋盖的承载能力qa由其整体稳定性控制，采用式（1)、式（2）计算。

式中，I，为屋面板的截面惯性矩；u为泊松比；h，为截面中性轴到最外边纤维的距离；k，为考虑屋面波纹效应对计算长度的调整系数；ka为初始缺陷调整系数；k.为荷载工况调整系数。

式（1）、式（2）可用来计算在全跨荷载或伴跨荷载作用下拱形波纹钢屋盖结构的承载能力。但对于计算既有全跨荷载又有半跨荷载的耦合作用时则不方便，主要原因是荷载工况调整系数k。不便取值。

经计算第在全跨均布荷载作用下结构的承载能力为1650N/m2，在半跨均布荷载作用下结构的承载能力为975N/m2。结构能够满足要求。

文献36在对拱形波纹钢屋盖结构进行系统的理论分析和试验研究的基础上，提出了一套设计方法，该方法可以进行全跨和半跨荷载共同作用于屋盖时的承载力计算，并且已被‘规程”采用。计算步骤如下：a.对结构所受各种荷载进行组合；b.计算截面各等效弹性常数；c求解各种设计荷载下各截面的弯矩M1；和轴力N1i；d.求解各类荷载作用下对应的结构弹性稳定荷载qai qai=kiElgR3；e.求解各类设计荷载作用下对应的弯矩放大系数β，B，=（1-Yg./grt)1；f.求解各截面一阶轴力N，和二阶弯矩M。，N；=ZN,M=28.Muig.采用式（3）验算各截面承载力：

根据选定的风荷载取值，对该屋盖按式（3）计算，结果如表1所示。由表1可见，考虑风荷载后，由于风荷载中扣除平均风后尚有大部分半跨风荷载。由此引起的二阶弯矩显著增大，结构承载力不能满足要求。

2.3其他原因分析

1）风压取值。该结构处于黄河狭窄河谷口处空旷地带，基本风压按照毗邻城市取标准值为Q4kN/m2，而根据当地气象部门提供的资料和当地工程师们预测，结构所在建设场地基本风压标准值要大于Q4kNm2。这一点虽在“规范”上没有体现，但是具体设计时应予以放大。

2）风的动力作用。该结构跨度较大（“规程程适用的跨度不大于30m。当跨度较大时，半跨荷载作用下结构的承载能力难以满足可靠度的要求），为无屋架、无山墙、刚度较小的薄壳拱形屋盖体系。风的动力作用也是造成该屋盖倒塌的重要原因，文献[4提出，对该类结构应按照“规范”得到的静力荷载乘以1.7的系数来验算动力风比较合适。该拱形波纹钢屋盖结构在来风中的脉动风作用下，结构必将产生振动，又由于无山墙也会增加这种振动，最终导致屋盖倒塌。

经前述计算分析认为，该结构屋盖倒塌原因为：设计者没有充分考虑结构所处部位可能出现的过大风压，也没有很好地考虑结构北侧已建建筑对其不利的影响。由于风的动力作用，节点连接部位没有设置钢压板，屋盖振动过程中节点处屋盖首先变形螺丝松动；进而节点处屋盖钢板扩孔或撕裂螺丝松动或拔出；节点失效后，屋盖开始倒塌；首先倒塌的屋盖连带附近屋盖一起下落最终导致大面积屋盖倒塌。

三、结论

1）拱形波纹钢屋盖结构体系为风荷载敏感结构，在应用时要注意选址问题，对可能出现的过大风压要充分考虑其作用，在风变化比较剧烈的地区不宜采用。

2）设计时应进行现场调查，注意现场周围环境的影响。

3）拱形波纹钢屋盖是一种较为新型的屋盖结构，对其研究还应深入开展。尤其是在风荷载动力作用下的性能研究.

4）“规程”建议的设计方法具有一定的安全度，应用起来较为方便，可以很好地保证拱形波纹钢屋盖结构的安全。

参考文献

1.高福聚。刘锡良.金属拱形波纹屋盖工程设计刍议.工业建筑2001,31（7）:54-57

2.高福聚。赵秋红.浅议金属拱形波纹屋盖承载能力影响因素.钢结构，199914（4）：1l-14

3.张勇，刘锡良，石永久等.金属拱形屋盖结构弹性稳定承载能力.工业建筑，2001，31（12）：60-62

4.杨维国，徐国彬。冷弯折皱拱壳轻型钢结构在风荷载下的动力响应.空间结构，2000,6（4）:44一49

5.范学伟，徐国彬。大型波纹拱壳屋盖倒塌的事故分析及其安全改进措施.中国安全科学学报。2001.11（3）:60-64

6.张勇，刘锡良，王元清等.金属拱形波纹屋盖结构的简化设计方法.建筑结构学报。200324（2）:49-53

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Tags：金属薄壁拱型屋盖拱形波纹钢屋盖结构拱形波纹钢屋盖拱形屋拱形屋面

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