某钢结构工程整体坍塌原因技术分析_廖文彬.pdf

第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20211637 第一作者:第一作者:廖文彬,硕士,教授级高级工程师,主要从事工程结构设计工作,Email:744895349 。某钢结构工程整体坍塌原因技术分析廖文彬(福建省建筑设计研究院有限公司,福州 350001)摘要:通过对某酒店钢结构工程整体坍塌事故案例开展调查与分析发现,其坍塌是由于加夹层改建后结构自重明显增加,导致节点区柱端在主轴平面内的压弯承载力不足,柱中出现塑性损伤,H 型钢柱节点区受压翼缘局部屈曲引起失稳破坏;钢柱设计选型不合理是造成其失稳破坏的主因,且未设置柱间支撑,施工上钢梁与钢柱连接处上下翼缘未焊接或焊接质量差导致刚接变成铰接,从而造成结构成为排架结构或局部排架结构,结构整体稳定性差,其结构体系存在严重缺陷,最终钢柱失稳破坏引起结构整体瞬间坍塌。关键词:钢结构;夹层改建;坍塌;失稳;事故分析 中图分类号:TU391 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0092-05引用本文 廖文彬.某钢结构工程整体坍塌原因技术分析J.建筑结构,2023,53(3):92-96,86.LIAO Wenbin.Technical analysis on overall collapse cause of a steel structure projectJ.Building Structure,2023,53(3):92-96,86.Technical analysis on overall collapse cause of a steel structure project LIAO Wenbin(Fujian Architectural Design and Research Institute Co.,Ltd.,Fuzhou 350001,China)Abstract:Through the investigation and analysis of the overall collapse accident of a steel structure project in a hotel,it was found that the reason for its collapse is that the self-weight of the structure increased significantly after the reconstruction of mezzanine.As a result,the flexural bearing capacity of the column end in the joint zone was insufficient in the spindle plane,plastic damage appeared in the column,and the local buckling of the compression flange in the joint zone of H-shaped steel column caused instability failure.The irrational design and selection of steel column shape was the main cause of its instability failure,and the braces were not set up to support.In the construction,upper and lower flanges of steel beam at its connection joint with steel column were not welded or welded in poor welding quality,changing rigid connection into hinged joint.This resulted in the structure becoming a frame-bent structure or partial frame-bent structure with poor overall stability and serious defects in the structural system.This would lead to the instability damage of steel column to cause the whole structure to collapse instantly.Keywords:steel structure;reconstruction of mezzanine;collapse;instability;analysis of accident 0引言 钢结构建筑自重轻、强度高、抗震性能好、便于工业化生产、具有可循环利用等特点,属于绿色建筑。在节能减排的大趋势下,近年来钢结构建筑发展迅速,但其整体坍塌事故也随之增多,例如:2018年,广东发生一起在建五层钢结构整体坍塌事故,福建发生一起在建三层钢结构整体坍塌事故,广西某小学球馆钢结构顶棚突然发生坍塌;2019 年,广西某酒吧发生钢结构楼顶坍塌事故,柬埔寨某在建七层钢结构大楼突然坍塌。由于这些钢结构工程事故均为瞬间整体坍塌,人员伤亡多,造成很多人对钢结构的安全及推广应用存疑。近年来,国内外很多学者对钢结构的坍塌机理及破坏形式进行了广泛研究。黄海涛1通过某悬挑钢结构坍塌事故的破坏特征进行了调查,结合检测数据和理论计算阐明了该种悬挑钢结构发生坍塌的成因。骆瑞萍等2针对某钢结构厂房在施工阶段倾覆倒塌,采用现场调查及取样检测的方式开展了事故原因分析,重点提出了施工阶段应采取的措施。刘小燕等3针对某 6 层钢筋混凝土框架结构顶部宴会厅钢-混凝土组合屋盖坍塌事故,结合现场调查与检测鉴定结果,从计算模型、主钢梁拼接节点、主钢梁布置及滑动支座设计施工等方面剖析了事故原因。潘钧俊等4对萧山国际机场 T4 航站楼钢结构屋盖关键构件失效后的抗连续倒塌能力进行了分析研究,采用瞬态动力时程分析方法分析了不同支撑柱失效后是否会造成结构的连续倒塌,给出了关键构件性能水平划分等级以及相应技术第 53 卷 第 3 期廖文彬.某钢结构工程整体坍塌原因技术分析措施建议。鞠竹等5通过显示动力分析对三层钢框架的完整失效过程进行了分析,给出了结构内部不同位置处构件内力、变形等随温度的变化情况。蓝声宁等6以某门式轻型钢结构厂房倒塌事例为背景,研究结构在雪荷载作用下的破坏形式,并给此类结构设计提出了合理建议。谢甫哲7开展了基于抽柱法的钢框架结构连续坍塌的试验研究,试验内容包含空间钢框架的拟静力试验和平面钢框架的动力试验两部分,探讨了钢框架结构的坍塌破坏机理。王帅8通过对比不带楼板的单层空间钢框架坍塌试验和带楼板的单层空间钢框架坍塌试验结果,研究了楼板对于钢框架结构抗连续性坍塌性能和力学机制的影响。Izzuddin 等9-10采用拆除构件法对一简单钢框架进行拆除边柱与角柱两种工况进行分析,表明楼板在框架结构的抗坍塌中起着不可忽略的作用。Demoaceau 等11通过试验对移除某支撑柱后组合框架结构的响应进行了深入研究,通过对梁构件设置塑性铰以及在梁端设置弹簧的方式,用有限元程序预测框架节点在弯矩和拉力载荷作用下框架悬链线效应的发展,结果表明,梁跨中塑性铰区不能无限制开展。Song等12对一所待拆除的钢结构宿舍进行了坍塌试验研究和有限元分析,分析拆除了四根底层框架柱对结构体系受力性能的影响。Johnson 等13开展了四组缩尺带组合楼板钢框架结构的坍塌试验,认为当混凝土开裂后,楼板会失去了组合作用并将不再提供抗力。综上所述可知,众多学者对钢结构坍塌问题的研究由最初对结构坍塌现象的宏观捕捉、揭示,对结构坍塌现象进行合理地解释,转向对结构和构件在坍塌破坏状态下的受力机制研究,由定性分析转向定量分析。本文通过对某典型钢结构工程整体坍塌事故案例的调查与分析,总结导致钢结构工程整体坍塌事故的技术原因,吸取经验教训并以此为鉴,有利于提高钢结构应用的安全性。1工程概况1.1 结构概况 工程主体为七层钢结构建筑,平面尺寸为48m21m(图 1),总高为 22m。2012 年,建成时为五层的钢结构展厅,首层层高 4m,2 层层高 3m(首层前半部分挑高两层高,层高 7m),3、4 层层高均为6m,5 层(为员工宿舍)层高 3m,原钢框架立面图如图 2 所示。2016 年,在原建筑的 3 层和 4 层分别增设钢筋混凝土夹层,并砌筑砖墙隔成房间,增加夹层后的结构立面图如图 3 所示。后改建为酒店,层数增加至七层(含夹层),总高不变。结构布局横向为两跨:14m+7m,共 21m;纵向为六跨,每跨间距为8m,共 48m。钢框架柱为轧制 H 型钢,14m 跨度钢框架柱(、轴)截面为 H5961991015,7m 跨度边钢框架柱(轴)截面为 H446199812,柱底部采用外露式铰接柱脚固定在钢筋混凝土基础顶面;横向的 14m 跨框架梁采用变截面焊接 H 型钢,截面为 H(1 200800)3001014,横向的 7m 跨框架梁采用截面为 H396199711 的 H 型钢(图2)。三面外墙采用幕墙,其余围护墙与内墙采用120、180mm 或 240mm 厚砖墙。楼板为压型钢板上现浇钢筋混凝土板。基础为柱下钢筋混凝土独立基础。图 1 首层平面图图 2 原钢框架立面图1.2 事故概况 2020 年 1 月 10 日,装修工人在对其中 1 根钢柱实施板材粘贴作业时,发现钢柱翼缘和腹板发生严重变形,随后检查发现另外两根钢柱也存在同样情况,决定停止装修,对钢柱进行加固。2020 年 3月 1 日,施工人员进场进行加固时,又发现 3 根钢柱变形。2020 年 3 月 5 日上午,开始焊接加固作业。39建 筑 结 构2023 年图 3 增加夹层后结构立面图2020 年 3 月 7 日,17 时 40 分左右,1 层大堂门口一侧顶部一块玻璃发生炸裂;18 时 40 分左右,1 层大堂靠近餐饮店一侧的隔墙墙面扣板出现 23mm 宽的裂缝;19 时 06 分左右,酒店大堂与餐饮店之间钢柱外包木板发生开裂;19 时 09 分左右,隔墙鼓起5mm,23min 后,餐饮店传出爆裂声响;19 时 11 分左右,建筑物一层东侧车行展厅隔墙发出声响,墙板和吊顶开裂,玻璃脱胶;19 时 14 分左右,目击者听到幕墙玻璃爆裂巨响;19 时 14 分 17 秒,酒店建筑物瞬间坍塌,历时 3s(图 4)。事故造成多人伤亡。图 4 建筑物坍塌后实景图2现场踏勘与调查 从事故现场来看,建筑物整体向南倾倒,前半部分各层钢梁和楼面板叠在一起,后半部分 13 层未完全垮塌(图 4)。现场发现柱脚与基础基本完好(图 5 7),钢柱沿弱轴方向弯折扭曲破坏(图68),北侧边柱在 4 层连接处腹板拉断破坏。现场对钢框架梁、柱腹板和翼缘、梁端板、高强度螺栓取样进行力学性能和化学分析试验,检验结果表明,钢结构所用材料符合钢结构设计标准(GB 500172017)14要求。从现场看,主体钢结构为工厂制作、工地安装,工厂制作的材质与焊缝质量较好,但现场施工质量较差,发现部分框架梁与框架柱连接节点的上下翼缘板焊缝未焊或没有焊接熔透,低楼层焊接略多,4 层以上大部分节点未焊接。图 5 现场开挖的柱下独立基础图 6 底层柱(轴)沿弱轴弯折破坏图 7 底层柱(轴)沿弱轴弯折破坏图 8 北侧边柱在 4 层连接处腹板拉断3坍塌成因分析3.1 仿真分析 为模拟坍塌前的结构受力变化过程,采用SATWE 程序对改建前和改建后的结构受力情况进行仿真分析。有限元模型尺寸和材料属性、使用荷载等按现场调查及实测取值;框架梁及次梁节点根据现场实际情况分别取