雪災中輕型鋼結構的破壞分析

汪 謀

輕型鋼結構通過改進截面形式的承載效率，以較少的材料實現了較大的負荷能力。但這種優化的結構形式，超靜定次數少，結構冗余度小，對自身缺陷和外界影響的敏感性強[1]，進而導致在施工和使用過程中，輕型鋼結構的安全事故時有發生。2008年初發生在中國南方的雪災使輕鋼廠房經受了前所未有的考驗。暴雪致使大量輕型鋼結構廠房破壞甚至整體倒塌，因而有必要進一步研究輕型鋼結構在大風雪下的工作性能和破壞形式。

本文結合國內外近年來暴雪導致輕型鋼結構建筑破壞的事故，歸納了雪災導致的輕型鋼結構破壞的形式，分析了結構破壞的原因。最后，本文在今后此類結構設計的雪壓取值、結構形式和支撐體系的選擇、廠房使用過程中的檢查和維護等方面作了思考。

1 雪災中輕型鋼結構的破壞形式

1.1 檁條彎扭失穩破壞

當檁條高度偏小，截面不足時，無法承受巨大的暴雪荷載，發生彎扭失穩破壞。如果一個開間檁條破壞而掉落后，鋼架之間如果沒有足夠的連接，會使得剛架在鄰跨的不均勻荷載作用下發生扭曲而破壞，承載力喪失[1]?；r產生的不均勻荷載對鋼架有不利影響，使得陰面倒塌面積比陽面小。

1.2 剛架平面外失穩破壞

在暴雪中，巨大的雪荷載使得剛架梁在彎矩作用下，下翼緣受壓屈曲，平面外失穩。如果一段梁發生破壞，會導致相鄰柱承受不均勻荷載而發生平面外失穩破壞，并形成連鎖效應[2]。如果能按要求布置隅承，則可能避免此類破壞形式的發生。

1.3 剛架梁平面內失穩破壞

如果剛架梁的截面過小，無法承受巨大的雪荷載，則會在彎矩作用下發生平面內的整體失穩破壞。雪荷載作用下，梁跨中上翼緣受壓先屈曲(其截面較小，本身就容易成為薄弱部分，此時梁撓度最大，屋面也最容易積雪，使屋面載荷加大)。失穩破壞時梁向下彎折，而彎折更使屋面雪向彎折的中部滑動集中，形成更大的載荷，梁柱節點處彎矩瞬間大增，致使此處梁下緣也屈曲而破壞[3]。梁失穩后，給鄰間檁條產生大的拉力和扭矩，致使其在多個力的作用下扭曲。

1.4 節點破壞

剛架主體節點一般都有較大的安全儲備，在雪災中發生破壞的往往是圍護結構和次結構的節點(見圖1)。此類節點破壞后，引起的局部破壞經常導致荷載分布不均勻，而致使廠房的其他部分連鎖破壞。

1.5 次要結構破壞

輕型鋼結構建筑的次結構的破壞，如雨棚、連廊等也是容易發生破壞的部位。當雨棚在雪荷載作用下，與廠房主體連接的節點破壞是很典型的設計問題所致。

1.6 支撐體系失效

單層門架結構中，支撐體系的設計非常重要，剛架結構整體穩定及平面外計算長度、軸壓比等均需借助一些支撐來保證。

2 輕型鋼結構破壞的原因分析

2.1 雪荷載大且分布不均

按《建筑結構荷載規范》五十年一遇的雪壓，湘潭市的雪荷載設計值取0.45 kN/m2[4，5]，在實際的雪災調查中，發現在坍塌的廠房中屋面積雪(含冰)最厚的為16 cm，最薄的為 12 cm，雪荷載約為0.6 kN/m2～0.8 kN/m2，大大超出了設計荷載值，這可能是導致大量廠房坍塌的主要原因。此外，風雪共同作用導致破壞更加嚴重，這種不利荷載同時發生的概率較大。

GB 50009-2001荷載規范在6.2.2條對雪荷載取值做了規定[5]。但如果設計荷載取值后由程序自動計算并組合，而在施工圖紙上一些局部處理缺少標識，如女兒墻和檐口處積雪積水，特別是堆積結凍的雪水，使荷載增大、檐口及轉角風荷增大等情況使屋面結構受力增大，部分構件失穩從而引起整體倒塌。

2.2 設計原因

1)為了降低工程造價而過分優化設計，把鋼材強度用到極限，未考慮到材料的負偏差及企業制作、安裝水平等影響。2)廠房沒有設置足夠柱間斜撐?！堕T式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》規定:當建筑物寬度大于60 m時，在內柱宜適當增加柱間支撐[5]。如果在廠房的設計中未加以考慮，當雪荷載超過一定范圍時，鋼柱之間沒有足夠的平面外支撐，容易造成鋼柱的平面外失穩，導致整個結構失穩倒塌。3)忽視了支撐系統的作用，廠房整體性差。常見的設計失誤:a.柱間支撐只設在邊柱列，對內柱(包括搖擺柱)列沒有設置，造成屋面在內柱間水平支撐(桁架)缺少支座;b.用檁條代替屋面水平支撐的剛性系桿，但缺少對檁條的驗算和加強構造措施，造成實際上剛性系桿的剛性不夠，不能起到水平支撐桁架內豎向壓桿的作用?？v向剛性系桿除在屋脊、檐口處設置外，有一些部位如天窗架柱支座處、剛架梁轉折處等沒有設置，導致雪災事故中部分鋼梁接頭處損壞等現象(見圖2)。

2.3 施工問題

1)施工單位采購的材料質量不符合要求，甚至采用低強度鋼材代替高強度鋼材。這使得建成的廠房結構存在嚴重的安全隱患，在巨大的雪荷載作用下很容易發生破壞。2)鋼結構加工質量未達到要求。在鋼結構加工廠，未能按照圖紙加工構件。例如:構件板件厚度比設計要求薄，構件截面尺寸偏小，焊接質量差等。3)未能按設計圖紙設置廠房連接構造和支撐結構。在施工過程中，一味貪圖施工方便、降低成本，造成連接構造不合格;不設置必要的支撐，如隅撐、柱間支撐、屋面水平支撐等，使廠房整體工作性能差。連續檁條在施工中未按要求的長度搭接，使得檁條達不到連續檁的工作性能，這是2008年雪災中導致連續檁條失穩的一個重要原因(見圖3)。4)安裝問題。未按施工規范安裝構件，使結構的工作性能達不到要求。例如:柱腳不按設計設置抗剪鍵、高強螺栓預緊力未達要求、安裝定位偏差過大等(見圖4)。

2.4 使用中無維護

在廠房交付使用后，沒有執行定期檢查和日常維護，比如:螺栓及連接件的生銹，或者周圍潮濕的環境使鋼結構容易生銹，而未采取措施，久而久之鋼結構構件銹蝕加劇，從而降低構件的承載力，以致影響整個結構的承載力甚至危及結構安全。

3 防止雪災的注意事項

1)為保證輕型鋼結構廠房在雪災中良好的工作性能，應當按照規范設計結構，細致考慮結構使用期內可能遇到的各種情況，設計條件與實際情況符合，設計計算假定、簡圖與圖紙構造一致。合理地設置支撐系統可以保證廠房整體的工作性能。2)工程建設要嚴格按照建設程序執行;工程設計要選用正規的設計單位，出具正式的設計圖紙，并且嚴格按設計圖紙施工。3)定期對廠房進行安全檢查和維護。鋼結構廠房受材料特點的限制，使用時需要按時維護、防腐處理;大雪來臨之時，更應及時對建筑進行全面的健康檢查。4)雪災發生后積極進行防控和救治。大雪主要是產生豎向荷載，荷載穩定增加，沒有沖擊力，但持續時間相對較長;由于溫度過低會產生累積;天溝凍結后還會造成荷載積聚檐口的特點，因此應當及時除雪卸載，并避免雪荷載分布不均，尤其是自身傳力復雜，可靠度相對低的結構(見圖5)。

4 結語

1)在今后的結構設計中，雪壓取值應該考慮加大。隨著氣候環境的變化，在制定建筑結構荷載標準時，應考慮到“與時俱進”。2)在結構設計中，應盡量選擇合理的結構形式和支撐體系。3)加強對雪災的預警，并且迅速做出反應，盡可能及時除雪減壓。4)雖然許多房屋沒有出現倒塌，但仍存在不少問題。超載還會引起鋼梁不可恢復性變形，造成建筑物的抗強風能力顯著下降，而屋面的下撓會導致屋面排水不暢，容易漏水，修復困難。

[1] 沈祖炎，陳以一.房屋鋼結構設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2007.

[2] 舒贛平，王恒華.輕型鋼結構民用與工業建筑設計[M].北京:中國電力出版社，2006.

[3] 張其林.輕型門式剛架[M].濟南:山東科學技術出版社，2004.

[4] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范(2006版)[S].

[5] CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[6] 常陽.檁條在風吸力作用下的穩定計算[J].湖南大學學報(自然科學版)，2002，29(4):22-24.

[7] GB 50018-2002，冷彎薄壁型鋼結構技術規范[S].

[8] 徐益華.輕型鋼結構設計[M].北京:中國計劃出版社，2006.