《某拱形波紋鋼屋蓋結構倒塌事故分析》李紅星-學術論文-拱形波紋鋼屋蓋工程施工
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    《某拱形波紋鋼屋蓋結構倒塌事故分析》李紅星

    拱形屋頂廠家 2019-07-20 15:44:45 學術論文 1104 ℃ 0 評論

    論文標題:某拱形波紋鋼屋蓋結構倒塌事故分析

    李紅星(西北電力設計院,西安,710075)

    白國良,雷怡生,岳健廣(西安建筑科技大學,土木工程學院,西安,710055)


    摘要:拱形波紋鋼屋蓋結構因造價低廉、施工速度快等優點而常被應用于倉儲類簡易結構。由于研究較少,相關技術規程2005年才頒布實施,在此之前由于設計理論不統一等原因各地工程事故頻頻出現。針對一典型屋蓋倒塌工程事故,采用不同計算方法進行分析,同時分析風荷載取值、風動力效應等因素對屋蓋倒塌的影響。結果表明,風荷載和風動力作用是造成倒塌的主要原因,設計時應根據結構所處位置綜合考慮荷載取值,規程所采用的計算方法具有一定的安全度,可以用于此類屋蓋結構的設計。

    關鍵詞:拱形波紋鋼屋蓋事故風荷載建議


    拱形波紋鋼屋蓋結構是目前國內大跨度倉儲式結構中常用的一種屋面結構形式。拱形波紋鋼屋蓋結構集受力和圍護雙重功能為一身,將傳統的由屋面梁(或屋架)和屋面板組成的屋蓋結構系統簡化,能夠較大限度地利用材料。這種屋蓋結構形式由于其施工速度快、造價低廉、自重輕、外形美觀、建筑空間大等優點而備受青睞。研究表明,拱形波紋鋼屋蓋結構的臨界承載力是結構幾何非線性和物理非線性共同作用的結果。

    《拱形波紋鋼屋蓋結構技術規程》(CECS164:2004)(以下簡“規程”)中建立了統一的設計計算方法。但在此之前,對拱形波紋鋼屋蓋結構的設計還沒有形成被廣大工程設計人員普遍接受的方法,由于設計理論不統一,工程質量得不到保證工程事故時有發生。針對一典型拱形波紋鋼屋蓋結構倒塌事故,分別采用文獻1,4和被“規程?采用的文獻[3]的計算方法分析倒塌原因,探討該類屋蓋結構設計時應注意的問題。


    一、事故概況

    1.1工程簡介

    某倉儲類大棚結構,四面開敞,無山墻,下部空間用來儲藏煤炭。結構為單跨,跨度36m;縱向長度為318m,設有一道伸縮縫;柱頂標高9.0mm拱形波紋鋼屋蓋結構頂部標高為162m,屋蓋矢高比為15。該結構為工字形鋼柱,波紋屋蓋采用上海寶鋼生產的TSTE-28彩鋼板,鋼板厚度為1.5mm,為240機型。波紋屋蓋和柱頂天溝的斜板采用自攻螺絲連接。

    緊鄰該大棚北側(約15m)有一跨度更大的四周開敞的倉儲結構。該結構跨度55m柱頂標高161m,屋蓋頂部標高24m。柱子為三管格構式圓管柱,屋架為三管格構式桁架。結構地處黃河岸邊,為風口部位。設計時按毗鄰的某城市設計風壓取值,基本風壓為Q4kN/m2,地面粗糙度B類,風壓高度變化系數按《建筑結構荷載規范》(GB50009一2001)(以下簡稱稱規范”)取值;基本雪壓Q25kNm2,抗震設防烈度7度,抗震設防類別為丙類,建筑結構安全性等級為二級。結構平、剖面和柱頂做法分別見圖1、圖2。

    1.2事故簡介

    該工程建成后一周左右,由于當地出現大風天氣,屋面第一次垮塌倒塌范圍為①~軸。事故發生后,在屋蓋外圍采用鋼筋箍進行了加固保護。一個多月后,當地又出現了大風天氣,但是風力比第一次垮塌時風力小,屋面又開始垮塌,倒塌范圍為B~①軸。

    現場主要破壞特征:④列柱一側屋蓋基本落地,?列柱一側屋蓋在天溝處基本彎折,屋蓋懸掛在空中;未倒塌部分的屋蓋呈現出典型的拱形結構受力變形狀態;倒塌部分的天溝連接部位鋼板均嚴重變形;每個連接節點處有7個自攻螺絲,④列大部分徹底脫開的連接節點中有30%~50%的自攻螺絲處鋼板擴孔。螺絲拔出,50%~70%的自攻螺絲有松動跡象,部分螺絲拉斷且約25%的自攻螺絲處鋼板有被撕裂現象,約5%的鋼板被徹底撕斷;B列連接節點相對于④列破壞程度明顯要輕,但也存在節點鋼板擴孔、撕裂,自攻螺絲拔出、拉斷現象;自攻螺絲處鋼板擴孔內排比外排螺栓嚴重?,F場破壞情況見圖3。

    二、事故分析

    2.1風荷載取值分析

    拱形波紋鋼屋蓋結構屬于對風荷載比較敏感的結構形式式4習。對封閉式拱形屋面,風荷載作用下屋蓋受風吸力作用,這是一種相對有利的受力方式?!耙幏丁?.3.1條風荷載體型系數表第27項規定了四面開敞雙坡屋面的體型系數取值(圖4)。該項次的規定可近似作為本工程屋蓋風荷載取值的參考依據。但由于雙坡屋面和拱形屋蓋并不完全相同,取值上做了以下簡化:體型系數隨a值的變化而變化。對文中的屋蓋結構,柱頂處屋蓋的切線角度為44,按該值選擇以。則取值偏大;柱頂和屋脊頂所連直線的角度為22,按該值選擇.則取值偏小。本文在計算時按照兩者的平均值選定。M1為1.6Ha為Q4。

    由此可見,在風作用下結構所受風荷載并不均勻,扣除平均風壓力后,屋蓋還將受到較大的半跨風壓力(這也說明第一次倒塌后采用外鋼箍加固沒有太大作用)。在緊鄰(1.5m左右)該結構北側有一跨度和高度更大的開敞式倉儲結構,由于當地主導風向為北風北側結構的存在對南側拱形波紋鋼屋蓋結構的風壓取值是有影響的。圖5為同時考慮兩個結構位置和高度時的風流場示意圖。

    實際上會出現更為不利的半跨風荷載作用。由于以上分析只是定性分析,在沒有試驗的基礎上無法定量,所以本文在計算時還是參考“規范”取值。

    2.2結構計算分析

    對拱形波紋鋼屋蓋結構,文獻[1,2]根據足尺試驗研究,認為該類屋蓋的承載能力qa由其整體穩定性控制,采用式(1)、式(2)計算。


    式中,I,為屋面板的截面慣性矩;u為泊松比;h,為截面中性軸到最外邊纖維的距離;k,為考慮屋面波紋效應對計算長度的調整系數;ka為初始缺陷調整系數;k.為荷載工況調整系數。

    式(1)、式(2)可用來計算在全跨荷載或伴跨荷載作用下拱形波紋鋼屋蓋結構的承載能力。但對于計算既有全跨荷載又有半跨荷載的耦合作用時則不方便,主要原因是荷載工況調整系數k。不便取值。

    經計算第在全跨均布荷載作用下結構的承載能力為1650N/m2,在半跨均布荷載作用下結構的承載能力為975N/m2。結構能夠滿足要求。

    文獻36在對拱形波紋鋼屋蓋結構進行系統的理論分析和試驗研究的基礎上,提出了一套設計方法,該方法可以進行全跨和半跨荷載共同作用于屋蓋時的承載力計算,并且已被‘規程”采用。計算步驟如下:a.對結構所受各種荷載進行組合;b.計算截面各等效彈性常數;c求解各種設計荷載下各截面的彎矩M1;和軸力N1i;d.求解各類荷載作用下對應的結構彈性穩定荷載qai qai=kiElgR3;e.求解各類設計荷載作用下對應的彎矩放大系數β,B,=(1-Yg./grt)1;f.求解各截面一階軸力N,和二階彎矩M。,N;=ZN,M=28.Muig.采用式(3)驗算各截面承載力:

    根據選定的風荷載取值,對該屋蓋按式(3)計算,結果如表1所示。由表1可見,考慮風荷載后,由于風荷載中扣除平均風后尚有大部分半跨風荷載。由此引起的二階彎矩顯著增大,結構承載力不能滿足要求。

    2.3其他原因分析

    1)風壓取值。該結構處于黃河狹窄河谷口處空曠地帶,基本風壓按照毗鄰城市取標準值為Q4kN/m2,而根據當地氣象部門提供的資料和當地工程師們預測,結構所在建設場地基本風壓標準值要大于Q4kNm2。這一點雖在“規范”上沒有體現,但是具體設計時應予以放大。

    2)風的動力作用。該結構跨度較大(“規程程適用的跨度不大于30m。當跨度較大時,半跨荷載作用下結構的承載能力難以滿足可靠度的要求),為無屋架、無山墻、剛度較小的薄殼拱形屋蓋體系。風的動力作用也是造成該屋蓋倒塌的重要原因,文獻[4提出,對該類結構應按照“規范”得到的靜力荷載乘以1.7的系數來驗算動力風比較合適。該拱形波紋鋼屋蓋結構在來風中的脈動風作用下,結構必將產生振動,又由于無山墻也會增加這種振動,最終導致屋蓋倒塌。

    經前述計算分析認為,該結構屋蓋倒塌原因為:設計者沒有充分考慮結構所處部位可能出現的過大風壓,也沒有很好地考慮結構北側已建建筑對其不利的影響。由于風的動力作用,節點連接部位沒有設置鋼壓板,屋蓋振動過程中節點處屋蓋首先變形螺絲松動;進而節點處屋蓋鋼板擴孔或撕裂螺絲松動或拔出;節點失效后,屋蓋開始倒塌;首先倒塌的屋蓋連帶附近屋蓋一起下落最終導致大面積屋蓋倒塌。


    三、結論

    1)拱形波紋鋼屋蓋結構體系為風荷載敏感結構,在應用時要注意選址問題,對可能出現的過大風壓要充分考慮其作用,在風變化比較劇烈的地區不宜采用。

    2)設計時應進行現場調查,注意現場周圍環境的影響。

    3)拱形波紋鋼屋蓋是一種較為新型的屋蓋結構,對其研究還應深入開展。尤其是在風荷載動力作用下的性能研究.

    4)“規程”建議的設計方法具有一定的安全度,應用起來較為方便,可以很好地保證拱形波紋鋼屋蓋結構的安全。


    參考文獻

    1.高福聚。劉錫良.金屬拱形波紋屋蓋工程設計芻議.工業建筑2001,31(7):54-57

    2.高福聚。趙秋紅.淺議金屬拱形波紋屋蓋承載能力影響因素.鋼結構,199914(4):1l-14

    3.張勇,劉錫良,石永久等.金屬拱形屋蓋結構彈性穩定承載能力.工業建筑,2001,31(12):60-62

    4.楊維國,徐國彬。冷彎折皺拱殼輕型鋼結構在風荷載下的動力響應.空間結構,2000,6(4):44一49

    5.范學偉,徐國彬。大型波紋拱殼屋蓋倒塌的事故分析及其安全改進措施.中國安全科學學報。2001.11(3):60-64

    6.張勇,劉錫良,王元清等.金屬拱形波紋屋蓋結構的簡化設計方法.建筑結構學報。200324(2):49-53


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