某門式剛架柱腳強迫移位事故的鑒定與處理

劉明寶，馬 萍，張 鵬

（1.山東建筑大學，山東 濟南 250101；2.山東建固特種專業工程有限公司，山東 濟南 250000；3.山東建筑大學鑒定檢測中心有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

某廠房門式剛架剛接柱腳在爆炸力作用下發生了強迫移位，論文介紹了事故檢測鑒定情況，分析事故對結構的影響，并根據剛架受力特點提出了事故處理方案，柱腳移位處理后按實測數據進行驗證分析，該處理方案取得了較好的效果。

1 工程概況及事故基本情況

某廠房采用門式剛架結構，建筑東西長 145.28 m，南北寬 121.08 m，建筑總高度 12.6 m。該建筑結構安全等級為二級，抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度為 7 度（0.10g），設計地震分組為第二組，建筑場地類別為 II 類，結構設計使用年限為 50 年。

該工程采用獨立基礎，基礎沿縱向設置地基梁，混凝土設計強度等級為 C30，地基基礎設計等級為丙級，地基處理采用強夯法，局部中風化巖區域爆破至基坑下 20 cm，采用級配砂石回填。該車間門式剛架為五連跨，每跨均為 24 m，柱腳剛接，剛架梁、柱均采用焊接 H 型鋼，車間內每跨均設兩臺 10 t 電動單梁吊車，工作制級別為 A3，吊車梁采用焊接 H 型鋼。主鋼構材質為 Q345B，支撐及屋面檁條等次結構為 Q235B，主結構連接螺栓采用 10.9 級摩擦型連接高強度螺栓。

該廠房主體結構完工后，對廠區內高出設計標高的巖石進行爆破，爆破產生的爆炸地震及碎石對廠房局部主體造成了損壞，爆炸力造成基礎移位，部分構件及連接節點損傷。

2 調查與檢測鑒定

2.1 破壞情況調查

經現場調查，該廠房于 2019 年 3 月完成鋼結構施工，2019 年 4 月初，該建筑物南側（19～20 軸間）附近進行道路爆破施工，爆破點距建筑物約 20 m，爆破位置如圖 1 所示，結構內景如圖 2 所示。經現場查勘確定，爆炸力影響范圍為 18～19 軸交 A～D 軸區域，爆炸力造成的現場破壞情況如表 1 及圖 3～圖 8所示。

表1 現場破壞情況匯總

圖1 爆炸位置示意圖

圖2 結構內景

圖3 地基梁開裂破壞、鋼筋屈服

圖4 地基梁開裂破壞

圖5 混凝土柱頭開裂破壞

圖6 焊縫開裂

圖7 支撐屈服

圖8 檁條扭曲變形

2.2 變形檢測

現場采用全站儀對 A 軸交 18～20 軸鋼柱和 20 軸交 B～D 軸鋼柱進行變形測量，測得 A 軸交 19 軸柱腳及基礎向北側移位 16 cm，鋼柱垂直度為 1/66；A 軸交 20 軸柱腳及基礎向北側移位 9 cm，鋼柱垂直度為 1/102。GB 50205－2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》附錄 E 規定，單層鋼柱柱腳中心線偏移允許偏差 5 mm，鋼柱垂直度允許偏差 1/1 000，以上數值均遠超過規范限值。測得 20 軸交 B 軸鋼柱柱腳向北移位 3 cm，鋼柱最大側向彎曲 7 cm，發生在 2.8 m 標高局部夾層處。

2.3 構件截面檢測

本工程門式剛架結構均采用焊接 H 型鋼制作，鋼柱為等截面，鋼梁采用變截面；基礎采用鋼筋混凝土獨立基礎?，F場采用游標卡尺、測厚儀及鋼尺對剛架截面尺寸及基礎尺寸進行檢測，所檢構件截面尺寸能夠滿足設計文件要求。

2.4 節點構造檢查

經核對，剛架梁柱節點、柱腳節點做法與設計相符，門式剛架梁柱連接節點構造無異常，未見明顯變形、開裂等現象。

2.5 吊車梁系統檢查

對吊車梁與鋼柱連接節點、吊車梁間的連接節點進行檢查，未見開裂變形現象。對吊車梁外觀進行檢查，未發現扭曲變形等異?，F象。

2.6 結構計算分析

爆炸時能量釋放的時間很短，判斷爆炸力引起的鋼柱移位屬于彈性變形還是塑性變形是困難的，為確保安全，假設基礎移位使鋼柱發生的變形包含塑性變形和彈性變形兩部分，為了給后續處理提供依據，對門式鋼架結構進行缺陷狀態下的承載力分析十分必要?；A移位后，剛架柱產生的強迫內力，鋼柱彎曲引起的鋼柱受壓偏心，均對剛架承載力有不利影響，針對不同處理方式設置了兩種受力工況對剛架結構進行包絡分析：第一種產生基礎移位處鋼柱不采取措施，按現狀對剛架結構進行計算分析，此時假設所有柱腳移位均為彈性變形；第二種產生基礎移位處鋼柱采取措施釋放強迫內力，對剛架結構進行基于彎曲缺陷條件下的計算分析，此時假設柱腳移位均為塑性變形。

1）產生基礎移位處鋼柱不采取措施，按現狀對剛架結構進行計算分析?，F場檢查未發現 19/（A～B）軸地梁發生破壞現象，考慮混凝土地梁的剛度較大，認為 19/A、19/B 柱基礎偏移量相等，均取 19/A 軸柱基礎偏移量實際檢測值 16 cm。

現場檢查發現 20/（A～B）軸地梁在 B 軸端發生破壞現象，結合現場，20/A 軸柱鋼柱偏移量取實際檢測值 9 cm，20/B 軸鋼柱位移量取實際檢測值 3 cm。

根據現場檢測數據，對結構進行建模計算，計算過程中對鋼柱柱腳按假定條件進行強迫位移，計算結果顯示鋼柱內強迫內力較大，鋼柱應力比最大值＞3.0，強迫應力將導致 19/A、19/B、20/A、20/B 軸鋼柱及鋼柱基礎承載力不足，門式剛架結構屬于高承載力低延性結構，對額外增加的強迫內力很敏感，故應采取措施釋放鋼柱內強迫應力。

2）產生基礎移位處鋼柱采取措施釋放強迫內力，對剛架結構進行基于彎曲缺陷條件下的計算分析?？紤]鋼柱已產生塑性變形，強迫內力釋放后鋼柱無法恢復原狀，鋼柱偏心對結構承載力會造成一定影響，故按現狀偏心缺陷情況進行建模計算，偏心數值偏安全的取柱腳實際移位檢測值。

①荷載條件：抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值為 0.10g，設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，抗震設防類別為標準設防類，鋼架抗震等級為四級。

基本風壓 0.45 kN/m2，地面粗糙程度類別：B 類。

基本雪壓 0.35 kN/m2。

設計采用的均布活荷載標準值按原設計：活荷載標準值不上人屋面 0.3 kN/m2，檁條 0.5 kN/m2。

設計采用的吊車荷載：A 3 級電動單梁吊車，Sn=22.5 m，Gn=10 T，最大寬度：3 500 mm，大車輪距 3 000 mm，最大輪壓 82 kN，最小輪壓 7 kN。

②材料：剛架 Q345B；混凝土 C30。

③計算程序：中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所研發的 PKPM 結構設計軟件（2010 版 V4.2）。

④計算結果：經復核，產生基礎移位處鋼柱采取措施釋放強迫內力后，考慮鋼柱偏心缺陷情況下 19/A、19/B、20/A 軸鋼柱應力比最大值為 0.93＜1.0，滿足規范安全性要求。

3）綜合以上兩種工況計算可知，保持現狀時，剛架結構不能確定保證正常使用期間的安全性；無強迫內力情況下，鋼柱對柱中心線的偏心按 16 cm 進行驗算，剛架承載力滿足規范要求，也就是說釋放柱腳約束后，即使柱腳完全沒有回彈，剛架結構也能滿足規范安全性要求［1-3］。

2.7 鑒定結果

1）經調查及檢測鑒定，爆破對建筑物的影響范圍為 18～19 軸交 A～D 區域，為局部破壞。

2）爆炸力造成部分基礎和柱腳移位遠超規范限值，經計算分析，影響結構承載力，應采取處理措施；爆炸力造成的地基梁開裂、基礎短柱柱頭破壞、框架梁柱連接焊縫開裂等均對結構安全有不利影響，為消除安全隱患，應該采取整改或加固措施。

3）構件截面尺寸符合設計；剛架連接節點構造符合設計要求，剛架連接節點構造無異常，未見明顯變形、開裂等現象；吊車梁構件及連接未見開裂變形等異?，F象。

3 事故處理

3.1 一般性問題處理

根據現場實際情況，在保證安全的前提下，選擇易于實施的措施，對一般性問題處理如下。①開裂的地基梁：破碎地基梁混凝土，重新澆筑，混凝土強度等級應提高一個標號；②柱間支撐彎曲：進行更換；③焊縫開裂：按照鋼 GB 50661－2011《結構焊接規范》的要求進行返修焊接；④抗風柱彎曲：考慮更換抗風柱需拆除整個墻面系統，工作難度大，采取增加支撐的方式進行加固，提高抗風柱的整體穩定性。

3.2 鋼柱、基礎移位的處理

爆炸造成的破壞中，鋼柱、基礎移位的處理是關鍵問題。本工程基礎未遭受破壞，應盡可能予以保留。根據初步分析，對基礎、鋼柱移位提出了三種處理方案：采用基礎頂推平移的方法平移復位；維持現狀；釋放柱腳約束，重新固定。三種方案實施的前提都必須保證結構安全性。

當采用頂推平移法時，需要制作反力裝置，現場室內一側是回填土，土質松軟，實施存在困難。其次平移復位至原位置時，對鋼柱而言存在復位過度的問題，鋼柱內會產生反向強迫內力。綜合分析后，排除此處理方法。

根據計算分析，保持現狀時，剛架結構不能確定保證正常使用期間的安全性；無強迫內力情況下，鋼柱對柱中心線的偏心按 16 cm 進行驗算，剛架承載力滿足規范要求。綜合分析后，決定對基礎、柱腳移位采取釋放柱腳約束，重新固定的處理措施。

3.2 柱腳移位處理施工工藝

根據計算假定，柱腳內存在強迫內力，釋放柱腳約束后，鋼柱存在回彈的可能，因此保證柱腳安全的回彈是處理的關鍵。根據工程現場條件，確定如下處理流程：首先柱腳設置鋼牛腿支撐，牛腿支撐與基礎虛接，保證剛架結構在基礎短柱處理期間的豎向承載能力，同時不影響鋼柱的自由回彈；然后破除短柱混凝土，切掉原有地腳錨栓在柱底板以上的部分，切除作業應逐個進行，使鋼柱回彈分步完成；重新制作地腳錨栓，改為錨板式；增大截面法加固混凝土短柱，最后澆筑短柱混凝土。

3.4 柱腳移位處理情況

柱腳設置鋼牛腿支撐保護（見圖 9），破除短柱混凝土后，混凝土短柱對鋼柱的約束變小，鋼柱回彈，在回彈力作用下，地腳錨栓發生明顯變形，向鋼柱移位的反方向傾斜，如圖 10 所示，說明爆破力造成的鋼柱移位后，鋼柱內部產生了較大的強迫內力。

圖9 柱腳支撐

圖10 柱腳錨栓傾斜

依次切斷全部地腳錨栓后，鋼柱完成回彈，經測量，A/19 軸鋼柱回彈量為 8 cm，如圖 11 所示，A/20 軸鋼柱回彈量為 5.5 cm，如圖 12 所示。

圖11 A/19 軸鋼柱回彈

圖12 A/20 軸柱腳回彈

4 驗證分析

爆炸發生后 A/19 軸鋼柱移位 16 cm，釋放柱腳約束后實測回彈值 8 cm，說明 A/19 軸鋼柱在爆炸力作用下發生的塑性變形和彈性變形各為 8 cm；同理，A/20 軸鋼柱發生的塑性變形和彈性變形分別為 3.5 cm、5.5 cm。

按照柱腳釋放后的實測移位數據對鋼架進行基于彎曲缺陷條件下的驗證分析，分析爆炸發生后 A 軸剛架柱實際承載能力。以 19 軸剛架為例，考慮柱腳相對軸線偏心值 8 cm，柱腳強迫移位數值為 8 cm，其余荷載條件及材料參數同 2.6 小節 2）條。

經驗算，爆炸發生后 19 軸剛架中 A/19 軸鋼柱應力比最大值為 1.62＞1.0，構件承載力不能滿足規范安全性要求。驗證分析表明，對鋼柱移位的處理是必要的。

5 結語

該廠房經處理后，已投入使用，工作狀態正常，取得了良好的效果。

1）鋼柱腳解除約束后，發生了較大回彈，驗證了爆破力造成的變形由塑性變形及彈性變形兩部分組成的假設是成立的。

2）按照實際柱腳回彈值，若保持現狀，對原結構進行驗證分析，發現鋼柱承載力不能滿足規范要求，說明按照放松柱腳約束處理的方式是必要且正確的。

3）事故的處理制約因素多，要進行多方位綜合比較，才能制定安全、易于操作的處理方案。

爆炸力造成的結構構件移位影響因素較多，如爆炸能量、距離、結構體系、土質情況、施工質量等，事故處理應遵循客觀、科學、嚴謹、細致的原則，本文提供了一種有益的探索。Q