某钢结构房屋倒塌事故分析及思考.pdf

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1、钢结构 年第期第 卷总第 期某钢结构房屋倒塌事故分析及思考韩建强谢俐陈刚（广州市设计院，广州 ；广州市第四建筑公司，广州 ）摘要：分析了某二层钢结构房屋倒塌的过程与现状，指出结构设计缺陷是该钢结构房屋倒塌的主要原因。在此基础上，研究消除这些结构设计缺陷对结构性能的改善，并提出柱下梁无支承加劲肋时，梁翼缘最小厚度的计算方法及公式。关键词：房屋倒塌；柱长细比；上下柱不贯通；梁翼缘厚度；梁支承加劲肋；纵向框架梁；结构侧向刚度；施工顺序 ：（，；，）：，：；第一作者：韩建强，男，年出生，工学博士，教授级高级工程师。：收稿日期：工程概况倒塌的钢结构房屋位于广州市海珠区，为三滘村自建消防站。由于没有结构图

2、纸，所提供的建筑方案图又与现场情况相差甚远，建筑及结构的实际情况只能通过询问当事人及现场实际查勘获得。图钢柱平面布置示意三滘村自建消防站为二层钢框架结构，采用压型钢板组合楼板。经专家组现场实测，纵向总长度为 ，分为跨，北端第一跨为 ，其余跨均为 ；横向宽度为 ，分为跨，柱距 ，二层和屋面层端部悬挑 。首层高度 ，二层高度 ，首层面积为 ，二层及屋面面积为 。基础采用条形基础。钢柱平面布置见图，二层与屋面层的结构布置见图，剖面见图，柱脚大样见图。主要构件截面及材质如表所示。注：为钢梁编号，尺寸为 ，尺寸为 。二层；屋面层图结构平面布置示意工程设计 （），纵剖面；横剖面图结构剖面示意图柱脚大样表构

3、件截面尺寸及材质构件类型截面尺寸材质钢柱 二层楼面钢梁 屋面钢梁 二层楼板及屋面板 （压型钢板组合楼板厚）房屋倒塌事故概述该工程于 年月日开始施工，至 年月 日，上部钢结构框架已经搭设完成，屋面压型钢板的铺设及屋面钢筋的绑扎工作也已完成，二层楼 面 正 在 进 行 楼 面 钢 筋 的 绑 扎 和 焊 接 等 工 序；左右开始浇筑屋面层混凝土，浇筑至，建筑物发生整体倒塌，共造成人死亡、人重伤的严重后果。图图是倒塌现场的照片。事故原因分析综合分析倒塌现场、施工过程及事故发生经过等情况，可以看 出，倒塌 的 二 层 钢 框 架 结 构 房屋，在结构设计方面存在以下严重不足以及安全图边柱及节点变形图柱

4、屈曲与压型钢板变形图框架节点翼缘局部屈曲与上、下柱不贯通图中柱无纵向梁连接问题。结构布置 框架中柱沿纵向无框架梁连接由图图及图图可以看出，沿横向，结构形成了完整的两跨框架；沿纵向，由于中柱处无框架梁连接，致使该处未能形成框架，从而降低了整体结构的侧向刚度。风荷载作用下钢框架侧移如图所示。表给出了风荷载作用下，该结构在中柱纵向有框架梁和无框架梁两种情况下的侧向位移及层间位移角。从表可以看出：框架柱纵向有无框架梁连接韩建强，等：某钢结构房屋倒塌事故分析及思考钢结构 年第期第 卷总第 期 纵向；横向图风荷载下钢框架侧移对其横向抗侧刚度没有影响，对纵向抗侧刚度影响较大。增设纵向框架梁后，结构顶部纵向位

5、移由 下降到 ，降幅达，且小于无纵向框架梁时的二层楼面纵向位移 ；层间位移角方面，首层纵向层间位移角由 减小到，降幅达，仍不满足文献 的 要求；二层纵向层间位移角由 减小到 ，降幅达 。以上数据说明，增设纵向框架梁后，首层沿纵向的层间刚度有所改善，二层沿纵向的层间刚度成倍增加，原因在于二层及屋面的梁与柱形成了完整的纵向框架。上、下层柱不贯通由图可看出，二层柱与一层柱在二层楼面节点处不是通常的柱连续、梁断开的情况，而是柱断开、梁连续，即上、下层柱不贯通。而建筑结构的合理传力途径是上部结构传递到下部结构，再传递到基础。表风荷载下框架侧移对比模型楼层位移横向纵向层间位移横向纵向层间位移角横向纵向层高

6、无框架梁二层 屋面层 有框架梁二层 屋面层 注：横向位移指在横向风荷载作用下，框架沿横向产生的位移；纵向位移指在纵向风荷载作用下，框架沿纵向产生的位移。从结构构造上来说，当柱断开、梁连续时，梁相当于上层柱的支座。这种情况对于钢筋混凝土结构来说，由于其节点区为实心区，只要节点区混凝土强度符合要求，混凝土密实、钢筋锚固安全，就可以保证节点区的可靠传力，而不需要分清何者为支座；但对于钢结构而言，节点区由节点板组成，这就要求节点板的布置及设计能使节点区具有足够的强度和刚度，保证传力明确、可靠。因此，对于这种梁是上层柱支座的节点情况，其节点区及水平支撑的强弱直接影响被支承柱的承载力。对本结构来说，柱下节

7、点区未设置竖向加劲肋，在框架柱纵向弯矩及轴力作用下，节点处梁翼缘极易发生局部变形，致使柱与梁不能形成刚性连接，另外，节点处平面外没有纵向梁连接，且施工时二层仅铺设了压型钢板，对梁的侧向移动及转动的限制作用很小，可认为该处柱脚既有转动又有移动，近似为可动铰支座。即使压型钢板的组合楼板施工完成并形成水平刚度，但由于楼板较薄且柱脚埋深较浅，类似于平板支座，其对节点侧向位移的限制有帮助，而对柱脚的转动性能几乎没有改善。以中柱为例，由文献 附录 中“表 有侧移框架柱的计算长度系数”可知，当柱底铰支时，柱下端的横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值 ；而该柱在二层及屋面层的纵向均没有梁连接，且铺设的压型钢板对

8、柱的转动几乎没有约束作用，可认为纵向梁的线刚度为零，即柱上端的横梁线刚度之和与柱线刚度之和的比值 ，则柱计算长度系数 。柱纵向计算长度 ；钢柱实测截面尺寸为 ，则柱纵向计算长细比 。也可以认为二层横梁为柱支座，此时对于首层柱与二层柱而言，柱端约束情况相同，柱计算长度系数 ，则柱纵向计算长细比为：首层 ，二层 。可见，该柱纵向长细比约为文献 规定的容许长细比 的 倍，结构接近于机动体系，极易失稳。从图 也可看出，框架倾斜明显，侧移很大，接近倒塌。若上、下层柱贯通，相当于柱脚埋深下移情况，此时垂直于纵向的与柱相连的横梁，可通过抗扭作用对柱端转动有所限制，其二层浇注的压型钢板组合楼板类似扁梁对柱产生

9、一定的约束，这样节点区的转动约束能力较上、下层柱不贯通的情工程设计 （），况有了本质的变化。浇注后的钢筋混凝土楼板厚 ，钢柱宽 ，取 的板带作为扁梁计算。考虑钢构件与混凝土构件弹性模量的不同，其等效抗弯刚度为：（）式中：为混凝土弹性模量，取 ；为钢材弹性模量，取 ；为钢筋混凝土扁梁的抗弯刚度；为钢筋混凝土扁梁抗弯刚度折减系数，一般可取 ；考虑到楼板相对于梁而言较薄，跨高比太小，对柱约束的有效性较差，现取为 。同时，在内力作用下，钢构件与混凝土构件的连接不如混凝土构件之间的连接可靠，且柱脚处内力较大，一般会出现微裂缝甚至开裂，故刚度计算时，钢筋混凝土扁梁的有效高度取扣除保护层后的板高，则 ，。对

10、于首层柱，梁的线刚度之和梁 ，柱的线刚度之和柱 ，考虑到楼板较薄，其远端可视为铰支，则柱上端 ，而 ，则查表知，柱计算长度系数 ，柱的计算长度 ；柱纵向计算长细比 。对于二层，计算时，柱 ，故 ，则查表知，柱计算长度系数 ，柱的 计 算 长 度 ；柱 纵 向 计 算 长 细比 。可见柱纵向长细比虽然超过 ，较上、下柱不贯通的情况，长细比成倍减少。考虑纵向平面外与柱相连的横梁扭转约束作用，在内力作用下，柱脚与其相连的横梁会一起转动，柱脚的转角就是横梁的扭转角。横梁的扭转约束作用取决于横梁的扭转线刚度，在计算柱的计算长度系数时，可作为虚拟的纵向梁。横梁 ，扭转常数（纯扭转惯性矩）按下式计算：（）式

11、中：为板件宽度；为板件厚度。算得 ，相应的扭转线刚度扭梁 ，若同时考虑楼板与纵向平面外与柱相连的横梁作用，则首层 ，而 。查表知，柱计算长度系数 ，柱的计算长度 ；柱纵向计算长细比 。由以上计算可以看出，柱子的长细比大幅度减小，但最小的长细比为 ，仍大于 。这是由于原设计概念错误所致，纵向的回转半径只有 ，柱子计算长度系数 ，即使取 ，则首层柱的纵向长细比 ，二层柱的纵向长细比 ，亦不满足文献 要求。在上、下层柱贯通的情况下，由于纵向平面外与柱相连的钢横梁一般都是开口薄壁构件，纯扭转惯性矩较小，对柱端约束的贡献可忽略不计。而浇注后的钢筋混凝土楼板对柱端约束的改善作用较为明显，可成倍提高结构的稳

12、定性。集中受荷处梁无支承加劲肋由图图可以看出，主梁与次梁、柱与梁的连接以及梁的支座处均未设置支承加劲肋，梁翼缘均发生了局部屈曲。梁翼缘屈曲的原因有两点：一是内力作用下，梁翼缘板件丧失稳定；二是房屋倒塌过程中，柱端变形太大导致梁翼缘过度变形。文献 梁翼缘局部稳定的相关条款有两处，分别是第 条和第 条。其中，第 条是基于局部屈曲不先于整体屈曲的前提而给出的梁翼缘宽厚比的限制条件，没有考虑局部区域梁翼缘上有集中荷载的因素。对于本工程来说，横梁截面为 ，梁翼缘的宽厚比 ，满足文献 要求。在柱集中荷载或线荷载作用下，无加劲肋梁的翼缘变形及屈曲如图 所示，梁翼缘可视为三边嵌固、一边自由的板，承受柱翼缘传递

13、的线荷载。图 梁无加劲肋时梁翼缘的受力及屈曲变形计算时，根据实际施工情况，计入 厚的 钢 筋 混 凝 土 板、钢 梁、钢柱自重，人员施工及压型钢板荷载按 计，则一根柱承受的轴力 。对该轴力乘以 的增大系数以考虑弯矩及剪力以及风荷载等水平作用的影响，即轴力韩建强，等：某钢结构房屋倒塌事故分析及思考钢结构 年第期第 卷总第 期 ，其均匀分布在 钢柱上的线荷载为 。若考虑施工偏差，则实际柱翼缘作用在梁翼缘上的线荷载应为 。在线荷载作用下三边嵌固、一边自由的板的计算较为复杂。根据倒塌事故现场柱与梁连接区梁翼缘的屈曲情况及梁翼缘在柱翼缘区呈单向板变形特征，在计算梁翼缘与柱接触处的最大挠度时，可近似地认为

14、在柱翼缘作用的一定宽度范围内，梁翼缘为承受均布荷载的悬板。该宽度可参照文献 柱腹板受压区的有效宽度取值：（）（）式中：为柱翼缘板的厚度；为焊缝高度；为梁翼缘的厚度。取焊缝高度 ，则承受均布荷载的悬板宽为。半个柱翼缘传来的集中荷载 ，则在 宽度范围内的线荷载为 。按图 计算的梁翼缘受压区外缘的竖向变形为 。该值是文献 规定的主梁挠度容许值 的倍，是一般梁挠度容许值 的 倍。如此大的变形，柱脚肯定发生较大转动。图 柱压力下梁翼缘受压区计算简图由于梁翼缘的稳定问题与柱翼缘相似，可参照柱翼缘的处理方法。文献 第 条规定：当工字形梁翼缘采用焊透的形对接焊缝而腹板采用摩擦型连接高强度螺栓或焊缝于 形柱的翼

15、缘上时，柱的腹板可不设置横向加劲肋的条件之一，即是在梁的受拉翼缘处，柱翼缘板的厚度应满足式（）的要求：槡（）式中：为柱翼缘截面积；、分别为梁、柱抗压强度设计值。本工程柱翼缘截面 ，梁柱均采用 ，所以，则不设横向加劲肋时，梁翼缘的最小厚度为 ，而实际翼缘厚度为 ，小于 ，因此不能避免梁翼缘板的屈曲。目前梁翼缘的变形较大且不满足翼缘不屈曲的条件。若将钢梁 的翼缘厚度由 加厚到 ，即满足梁翼缘不屈曲的条件，算得翼缘外缘的竖向变形为 。该值小于一般梁挠度容许值 ，接近于主梁挠度容许值 ，可满足工程需要，且柱脚的转动较小，不会产生较大的附加应力或二阶应力。结构两个方向的抗弯刚度相差悬殊本建筑纵向排柱、横

16、向排柱，采用 工字形钢。单柱横向的抗弯刚度与纵向抗弯刚度之比为 ，两个方向刚度相差 倍；从结构整体来看，横向柱抗弯刚度合计 ，纵向柱抗弯刚度合计 ，二者相差近倍。同时，根据风荷载下该钢框架的侧移计算结果，二层横向层间位移为 ，纵向层间位移为 ；相应的横向层间位移角为 ，纵向层间位移角为，后者是前者的 倍。以上数据均可说明，不论是单构件还是框架整体，在两个方向上的刚度相差悬殊，不符合两主轴方向动力特性宜相近的结构布置原则，故结构不合理。所以该工程的工字形钢柱截面宜改为焊接的十字形截面。施工顺序不合理由前述的倒塌事故过程可以看出，施工违反了先下后上的原则。在框架结构安装完成后，不是先施工二层楼面，

17、而是先施工屋面层。屋面层钢筋绑扎完毕，就浇筑屋面层混凝土，在浇筑最后一块屋面区域时，建筑物发生整体倒塌，此时二层楼面正在进行楼面钢筋绑扎和焊接。这种先上后下的施工顺序，不符合结构设计要求。二层楼面未浇筑，结构构件均为独立的构件，楼板对柱及梁没有约束作用。先浇筑屋面层，相当于屋面层高由 增大到 ，加上屋面层钢筋混凝土质量远大于钢结构构件质量，无形中使得结构重心上移，此时结构呈现上重下轻、上刚下柔的特征。这种不合理的结构，其抗倒塌能力及稳定性都弱于一般结构，在振动或水平作用下极易倒塌。结语）结构布置不合理，框架柱纵向无梁连接，柱纵向长细比是文献 容许值的 倍倍，结构接（下转第 页）工程设计钢结构

18、年第期第 卷总第 期金属表面，形成均匀镀层。钢结构热喷锌施工质量将直接影响防腐年限和防腐效率，而影响热喷锌质量的根本原因是：喷射角度、喷射距离、送 丝 速 度、喷 镀 间 隔 时 间、喷 束 的重叠。本 工 程 设 计 文 件 要 求 镀 锌 层 厚 度 不 小 于，经现场多次抽查，厚度基本在 之间；采用刀刮法检测，只产生新镀层的明亮擦痕，并无脱落现象，满足要求。结语常州现代传媒中心钢塔钢结构拼装精度要求非常高，全部采用热浸锌防腐形式，同时对螺栓施工也提出了更高的要求。项目采用合理的安装方法，采用转角法合理规避扭矩系数离散性的影响，采用激光铅直法进行发射天线轴线偏差测量校正等方法，保证了热浸锌

19、塔桅高耸结构建设任务的顺利完成。参考文献黄洁四川广播电视塔钢桅杆整体顶升技术重庆：重庆大学建筑与土木工程，应付钊镀锌高强螺栓的工程应用钢结构，（）：林湖，朱正德，陈强努，等螺栓装配技术中扭矩法与转角法比较研究汽车工艺与材料，（）：程叙埕，罗哲，张兆平，等转角法在大六角热浸锌高强螺栓施工中的应用建筑施工，（）：塔桅钢结构工程施工质量验收规程 钢结构工程施工质量验收规范 钢结构高强度螺栓连接技术规程刘德鑫高强螺栓“螺母转角法”施工工艺河北电力技术，（）：林相谦，方翀预制式钢结构建筑系统高强度大六角头螺栓转角法施工工艺黑龙江科技信息，（）：（上接第 页）近于机动体系，是钢结构房屋倒塌的主要原因。上、

20、下柱不贯通、节点处柱下梁无支承加劲肋、结构两个方向的抗弯刚度相差悬殊、施工程序不合理是倒塌的次要因素。众多的结构设计缺陷及施工顺序不合理最终导致结构纵向倒塌，造成重大的安全事故，应引以为戒。）框架柱的两个方向应有梁连接，以使结构在两个方向形成完整框架。由计算结果可知，增设纵向框架梁后，可成倍地提高结构的抗侧刚度。若无纵向框架梁，此结构类似于排架结构，应设计纵向柱间支撑。）上、下层柱应贯通。上、下层柱贯通的情况下，相当于柱脚下移，可借助周边梁、楼板增强柱端约束能力。浇注后的钢筋混凝土楼板对柱端约束的改善作用较为明显，可成倍地提高结构的稳定性；而纵向平面外与柱相连的钢横梁一般都是开口薄壁构件，纯扭

21、转惯性矩较小，对柱端约束的贡献可忽略不计。）柱下梁无支承加劲肋时，应计算柱下梁翼缘处的挠度及局部屈曲。可按悬臂板简化计算柱翼缘作用范围内梁翼缘的最大挠度，使其满足规范要求的容许值，以免梁翼缘变形过大致使柱端转动，增加柱的计算长度；梁翼缘屈曲计算与柱翼缘类似，考虑到实际受力状态，偏安全起见，可取梁腹板抗拉力为零。）设计时宜使结构两个方向的抗侧刚度相近，避免类似此种结构向一边倒塌的事故发生。施工时应严格遵守先下后上的原则，避免上重下轻、上刚下柔的情况出现。参考文献 钢结构设计规范林同炎，结构概念与体系北京：中国建筑工业出版社，陈绍蕃钢结构稳定设计的几个基本概念 建筑结构，：（）：田兴运 钢结构稳定的概念设计 工业建筑，（）：王士奇关于加劲肋设置的讨论工业建筑，（）：陈绍蕃 钢结构设计原理北京：科学出版社，檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨殎殎殎殎 欢迎访问 工业建筑 杂志社网站：施工技术