建筑结构丨一文读懂在建厂房屋顶垮塌鉴定及加固全过程

[摘要]某试验厂房在屋面保护层施工时突然垮塌。为判断推演现场情况，分析垮塌原因，核查、分析了设计图纸、施工质量、现场情况、设备施工安装等情况；检测了未垮塌部分屋架、屋面板、支撑、排架柱的制作、施工、安装质量；验算了钢屋架杆件截面受力情况。检测发现：造成事故的主要原因是屋面施工时荷载剧增，屋架个别杆件加工制作截面尺寸不足，屋面板支撑点未布置在屋架节点上；从而造成屋架杆件承载力不足，屋架发生屈曲、失稳，进而发生垮塌事故。最后，根据检测报告，制定了厂房结构重建实施方案，为相关工程提供参考。

一

工程概况

某试验厂房总建筑面积3299平方米，东西向长75.72m，南北向宽43.2m，建筑高度13.8m。建筑物由防震缝分三段，一段为框架结构，二段主厂房为排架结构、三段附属用房为砌体结构，建筑物所处场地类别为二类，抗震设防烈度为7度，地震分组为第一组，二段主厂房东西向长48m，南北跨度33m，厂房内大型设备设有独立钢筋混凝土维护房屋（试验舱），柱为现浇钢筋混凝土柱，柱顶标高8.8m，放置梯形钢屋架，屋面采用1.5m×6m预应力混凝土屋面板，二段主厂房结构平面布置及屋盖构件如图1所示。

图1 厂房结构平面布置图

二段主厂房于2011年5月9日在进行屋面防水混凝土保护层施工时发生屋面坍塌事故，建筑屋面板除13~15轴保留外，其余全部坍塌，10~11轴屋架塌落于试验舱（图1）屋面上，屋架从南侧支座连接处破坏脱落，屋架在试验舱墙面处弯折破坏。

本文参照相关技术标准[1-2]和文献[3-9]，对未垮塌部分屋架、屋面板、支撑、厂房排架柱进行检测，对现场垮塌部位杆件截面进行核查，对现场事故判断推演、分析垮塌原因。最后结合检测鉴定报告，对垮塌重建做出实施方案。

二

设计图纸复查情况

按照国家相关规范标准，主厂房钢屋架选用《梯形钢屋架》（05G511）（简称钢屋架图集）中GWJ33-6，设计允许屋面荷载为6.0kN/m2（屋面实际荷载为4.74kN/m2）；屋面板选自《1.5m×6.0m预应力混凝土屋面板》（G410-1~2），型号为Y-WB-3II，设计允许荷载为3.65kN/m2（实际荷载为2.85kN/m2）；钢屋架支座处混凝土局部受压承载力设计值为2200kN（实际压力为530kN）；钢屋架支撑体系及连接构造均采用钢屋架图集的有关规定。

事故发生后，设计单位组织专家对施工图进行了全面复查，对基础、混凝土柱及屋面构件，特别对屋面体系进行了复核计算，各项设计指标均满足国家标准的相关要求，施工图设计符合国家相关规范。

三

建筑物现场破坏情况

从建筑物现场外部观测，建筑物四周无沉降现象。南侧墙体整体外观良好，仅主厂房局部因屋架拉拽破坏，东侧墙体平整完好，没有破坏痕迹。

（1）北侧（N轴）柱及外墙向北侧倾斜，变形较大，并有窗户脱落；西侧山墙C轴交④轴处严重损坏，开裂宽度较大，破坏情况见图2~4。

图2 建筑物北侧墙柱倾斜

图3 建筑物北侧窗户脱落

图4 西侧山墙局部破损-a外部

图4 西侧山墙局部破损-b内部

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（2）建筑屋面板除13~15轴范围保留外，其余全部坍塌，⑤轴、⑥轴屋架侧翻下落，支撑变形扭曲、上下弦杆变形，⑤轴屋架与山墙连接较强，侧翻后支座仍与柱头连接；⑦轴屋架严重扭曲变形，大部分腹杆受屋面板砸压弯折变形，两端支座全部脱落；⑧轴屋架呈现北高南低塌落，平面外呈S形扭曲变形，上弦被屋面板托拽，向东紧靠试验舱墙体，腹杆及弦杆均破坏严重，北侧下弦支座与柱头耦连，但上弦处与墙体脱开。破坏情况见图5~7。

图5 屋面坍塌总体情况

图6⑤轴、⑥轴钢屋架破坏情况

图7⑦轴、⑧轴钢屋架破坏情况

（3）10轴、11轴屋架一半坍塌于试验舱屋面上，一半完全塌落坠地，屋架破坏严重。13~15轴屋架没有塌落，但也有局部杆件轻微变形。破坏情况见图8。

图8 ⑩轴、11轴钢屋架破坏情况

(4)钢屋架北侧支座与柱头脱落的共有2榀（⑥，⑦轴），⑤轴屋架支座侧翻移位；钢屋架南侧支座与柱头脱落的共有6榀（分别为⑤~⑧轴、10，11轴），钢屋架支座处柱头由于屋架塌落发生拉剪破坏，预埋件从柱头拉出，形成15°~30°破坏斜截面，破坏情况见图9，10。

（a）北侧柱头破坏

（b）破坏柱头局部放大

图9 钢屋架北侧柱头及支座破坏情况

图10 钢屋架南侧柱头破坏情况

四

现场发现的主要问题

通过对现场详细勘查，发现的主要问题有：

(1)C轴、N轴两侧邻天沟板处没有采用型号为Y-KWB-3II的嵌板（宽度900mm），而是采用型号为Y-WB-3II屋面板（宽度1500mm）代替，造成大量屋面板支点未落于钢屋架上弦节点上，见图11。

图11 屋面板布置情况

（2）东西两侧山墙处大部分屋面板选型与设计要求不符，屋面板一侧与屋架上弦缺少连接，见图12，13。

图123II型端跨板（设计为3IIs）

图13山墙处屋架与屋面板缺少连接

（3）钢屋架支座处混凝土剥落，预埋件拉出，所见柱顶端箍筋绑扎不规范（箍筋重叠），降低了对支座预埋件的约束作用，见图14。

（a）箍筋重叠

（b）箍筋缺失

图14柱头箍筋绑扎不规范

（4）中间跨部分屋面板存在与钢屋架上弦焊点不足情况，造成屋架平面外支撑作用减弱，降低了屋架系统的整体刚度，见图15。

图15屋架上焊缝尺寸及焊点不足

（5）屋面防水找平层设计厚度为20mm，现场实测厚度为40mm，防水保护层设计厚度为40mm，现场实测厚度为50mm，加大了屋面荷载，见图16。

图16找平层和保护层超厚情况

（6）屋架GWJ33-6杆件编号见图17，图中5号杆设计截面为L110×8，现场实测为L100×8；7号杆设计截面为L110×10，现场实测为L100×10，不符合要求，见图18。

图17屋架GWJ33-6杆件编号图

图18杆件截面尺寸不足情况

五

屋顶倒塌过程分析

在场施工人员描述

5月9日中午施工人员正在主厂房⑤~⑧轴范围进行屋面防水保护层（40mm厚细石混凝土）施工，施工顺序为从N轴和C轴由坡底向坡顶铺设。

据工人A描述：当时正在进行抹面作业，突然听到响声，发现身后屋面塌陷，立即向东侧屋面逃生。据工人B描述：当时正在进行抹面作业，突然感觉身处屋面位置下沉，随后与屋面板一起向下坠落，挂于钢丝网上逃生。整个过程持续20s左右，因屋面非骤然塌落，在一定程度上缓解了施工人员的受伤情况，施工人员作业示意见图19。

图19屋面工人施工作业示意图

现场事发判断推演

（1）从钢屋架倒塌情况可以看出：⑦轴、⑧轴区域为塌落的主要着地区域，位于塌落部分的最低点，该区域也是破坏最严重的区域；⑦轴钢屋架两端全部从支座处落下，屋面板破碎严重；⑧轴钢屋架北侧一段支座仍在原位，并受到东侧屋面板拉结作用，没有落于地面。由此可以判断：⑦轴钢屋架是最先塌落的。从钢屋架倒塌情况侧视图中各榀屋架的倒塌走向可以看出：⑦轴钢屋架在下落过程中，通过连接系杆及屋面板拉动两侧⑥轴、⑧轴钢屋架向⑦轴侧倾倒塌；最西侧⑤轴钢屋屋架与山墙连接较强，虽然受拉拽作用发生90°侧倾，但并没有落于地面。10轴、11轴钢屋架在下落过程中，受到试验舱屋面承托，下落位移较小，从而对⑧轴钢屋架起到了一定上拉作用，也因为这两榀屋架下落位移不大，没有带动东侧屋架塌落，东侧13~15轴3榀屋架没有脱落，仅局部杆件变形。钢屋架倒塌情况推演见图20，21；现场实际垮塌情况见图22，23。

图20钢屋架倒塌情况平面示意图

图21钢屋架倒塌情况侧视图

图22钢屋架现场倒塌情况

图23东侧13~15轴3榀屋架没有脱落

（2）从⑦轴单榀钢屋架破坏示意图（图24）上可以看出，两侧支座处混凝土受到拉剪作用，均呈撕裂破坏现象。由此可以判断钢屋架在支座处均有斜向下的拉拽力，从受力变形的趋势上可以推断出⑦轴钢屋架应该为中间部分先垮塌，在巨大拉力作用下，将支座预埋件从柱头拉脱，最终整体完全塌落于地面。

图24单榀钢屋架倒塌破坏示意图

六

重要部位承载力核算

屋面承载力

根据现场施工情况，核算屋面实际荷载为5.55kN/m2，屋面荷载设计值为6.0kN/m2，未超过荷载设计值。

柱头预埋件抗剪承载力

预埋件中采用M24锚栓2根，φ22锚筋2根，预埋件剪切破坏荷载约20t。

屋架吊装设备施工荷载

风管安装单位在风管部件安装过程中，曾利用⑦轴屋架下弦杆吊装风管部件（吊点位置距屋架端部6.7m），吊装水平力约1.3t。经验算，在该水平力作用下，屋架侧向变形30mm，超过《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205—2001）侧向弯曲矢高不大于10mm的要求。

屋架承载力

根据相关规范[10-11]的规定，依据现场检测结果和设计图纸，对⑦轴、14轴交C~1/H轴半跨钢屋架进行承载力验算。验算结果表明：

（1）⑦轴半跨屋架共有5根杆件的结构承载力不满足规范要求，其应力绝对值在240～345N/mm2之间，超过钢材设计强度（215N/mm2）25～130N/mm2。

（2）14轴半跨钢屋架共有3根杆件的结构承载力不满足规范要求，其应力绝对值在223～279N/mm2之间，超过钢材设计强度（215N/mm2） 8～64N/mm2。

七

检测鉴定主要结论

（1）比对GWJ33-6详图（图17），所抽检的100根屋架杆件中，有56根杆件的截面尺寸不满足设计要求。其中偏差最大的为部分屋架的4号杆件（设计截面L160×100×12，实测截面L100×6），截面面积减小了61%。

（2）所检测13，14轴交C~1/H轴屋面未布置Y-KWB-3预应力嵌板，8块屋面板支撑点未布置在屋架节点上。屋面板埋件与⑤轴交C~1/H轴屋架未焊接；西侧屋面板埋件与⑥轴交C~1/H轴屋架点焊、东侧部分屋面板埋件与⑥轴交C~1/H轴屋架未焊接；东西两侧部分屋面板埋件与⑦轴交C~1/H轴屋架点焊。

（3）屋面水泥砂浆找平层的厚度为50～70mm，平均值为60.3mm，大于设计要求（20mm）；所检测的屋面细石混凝土保护层的厚度为50～65mm，平均值为57.0mm，大于设计要求（40mm）。

（4）设计单位设计的屋架直接采用钢屋架图集中型号为GWJ33-6A1和GWJ33-6A4的屋架，且设计图纸中屋面结构的总荷载不超过6.0kN/m2，表明设计单位设计的屋架结构满足国家规范的要求。

(5)根据建设单位、施工单位及风管安装单位提交的材料表明，在2011年3月份进行风管部件安装的过程中，风管安装单位利用了屋架2号杆件（下弦）来吊装风管部件。设计要求屋架仅受上、下弦节点荷载作用，该操作使集中荷载作用在屋架2号杆件（下弦）上，不满足设计要求，对屋架结构有不利影响。

（6）按检测结果进行承载力验算，屋架部分杆件承载力不足。

八

屋架垮塌的主要原因分析

由现场调查、检查和屋架承载力复核，垮塌原因主要有以下几点：

（1）屋架部分杆件（特别是受力较大的杆件）截面尺寸不满足设计要求，在设计荷载作用下，这些杆件（4号、5号、8号等杆件）的结构承载力不满足规范要求。

（2）部分杆件连接板只焊一边或未满焊，影响杆件的整体性和受压承载能力。

（3）部分屋面板与屋架连接不牢固，影响屋架的整体稳定性；且部分屋面板支撑点未布置在屋架节点上，影响屋架的受力状态。

（4）屋面水泥砂浆找平层和屋面细石混凝土保护层的厚度大于设计要求，导致屋面荷载偏大。

（5）风管施工单位利用屋架2号杆件（下弦）吊装风管部件不满足设计要求，对屋架结构有不利影响。

九

加固重建

（1）虽然13，14，15轴屋架未垮塌，但其施工质量不满足设计要求，且结构承载力不满足规范要求，需拆除重建。

（2）该建筑N轴交⑥~11轴的5根柱垂直度为125～173mm，需拆除重建，其余柱进行外包钢筋混凝土加固，破坏柱头重建。

（3）原设计屋面系统改为轻型钢屋架及钢檩条结构体系。

（4）维护墙根据损坏情况进行修复或重新砌筑。本建筑已于2011年9月进行了加固重建，2013年9月后投入使用。

十

结语

造成该厂房垮塌的主要原因是屋面水泥找平层施工时荷载剧增、钢屋架加工制作截面不足，从而引起屋架杆件承载力不足，屋架开始屈曲、变形，引起屋架失稳、垮塌。事故的根源在于不按图施工、管理不严，针对垮塌原因分析结果有几点值得思考：

（1）施工单位应认真领会设计图纸，不得随意改变做法，任意改变杆件尺寸。要认真对待每个细节、节点，安全至上，质量至上。

（2）现场监理要认真监督施工质量，每个重要环节要在现场进行督导。

参考文献

[1]工业建筑可靠性鉴定标准: GB 50144—2008 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]转自：建筑结构-公众号检测技术标准: GB/T 50344—2004 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]刘俊, 董振平,王应生, 等．某烧结厂房屋盖系统垮塌分析研究[J]. 转自：建筑结构-公众号，2016, 46(9): 105-108,94.

[4]李新泰, 李新阵,种道坦, 等．某会堂屋盖坍塌诱因及剩余结构损伤分析[J]. 转自：建筑结构-公众号，2015, 45(4): 183-1086.

[5]肖思奇. 单层厂房屋盖系统探析[J]. 有色金属设计, 2012, 39 (1): 47-50.

[6]刘阿强. 某中学食堂钢结构屋盖倒塌事故分析[J]. 建设科技, 2017, 000(11):74-75.

[7]鲍良军, 陆军大, 金一. 某厂房钢屋架坍塌事故分析[J]. 钢结构, 2007, 22(1):86-88.

[8]左勇志, 周阿娜, 刘亚坤. 钢屋架坍塌事故的鉴定[J]. 建筑技术开发, 2007, 34(11):4-6.

[9]顾红祥, 金维疆, 杨武. 钢屋架坍塌事故的检测鉴定[J]. 低温建筑技术, 2002, 000(4):93-94.

[10]钢结构设计规范:GB 50017—2003 [S]. 北京：中国计划出版社, 2003.

[11]转自：建筑结构-公众号荷载规范: GB 50009—2012 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

注：原文刊登于《转自：建筑结构-公众号》2020年第15期，题目：某试验厂房屋顶垮塌分析研究；作者：田廷全，张湘冀，贺虎成，陈路，陈勇，卢志刚，单位：北京特种工程设计研究院。本文对部分公式、表格等内容进行了删减。点击此处查看《转自：建筑结构-公众号》2020年第15期更多信息。

作者简介：田廷全，学士，高级工程师，一级注册结构工程师，Email：hhc358575@126.com。

通讯作者：贺虎成，博士，高级工程师，一级注册结构工程师，Email：hhc358575@126.com。

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