某试验厂房总建筑面积3 299m²,东西向长75.72m,南北向宽43.2m,建筑高度13.8m。建筑物由防震缝分为三段:一段实验室为框架结构;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Ⅱ类,抗震设防烈度为7度,抗震设防类别为丙类,场地特征周期为0.35s,基本地震加速度值为0.1g,设计地震分组为第一组,二段主厂房东西向长48m,南北向宽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(图中GWJ代表钢屋架;CC代表竖向支撑;XG代表系杆;SC代表水平支撑)。

　　 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 ^{[3,4,5,6,7,8,9]},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。

　　 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);屋面板选用《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2 200kN(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。

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

　　 (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,上弦杆被屋面板托拽,向东紧靠试验舱墙体,腹杆及上下弦杆均破坏严重,北侧下弦支座与柱头耦连,但上弦杆处与墙体脱开。破坏情况见图5～7。

　　 (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。

　　 (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轴,(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。

　　 通过对现场详细勘查,发现的主要问题有:

　　 (1)Ⓒ轴、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1 500mm)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。

　　 (2)东西两侧山墙处大部分屋面板选型与设计要求不符,设计为3Ⅱs型端跨板,实际选用3Ⅱ型端跨板。屋面板一侧与屋架上弦缺少连接,见图12,13。

　　 (3)中间跨部分屋面板存在与钢屋架上弦杆焊缝尺寸及焊点不足情况,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14。

　　 (4)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15。

　　 (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。

　　 (6)屋架GWJ33-6杆件编号见图17,杆件截面见表1。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。

　　 5月9日中午施工人员正在进行主厂房⑤～⑧轴范围屋面防水保护层(40mm厚细石混凝土)施工,施工顺序为从轴和Ⓒ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。

　　 (1)从钢屋架倒塌情况平面图(图20)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(图21)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。

　　 (2)从⑦轴单榀钢屋架破坏示意图(图24)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。

　　 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。

　　 预埋件中采用2根M24锚栓,2根ϕ22锚筋,预埋件剪切破坏荷载约200kN。

　　 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13kN。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。

　　 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Ⓒ～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,超过了钢材设计强度(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,超过了钢材设计强度(215N/mm²)8～64N/mm²。

　　 (1)比对屋架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Ⓒ～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Ⓒ～轴屋架未焊接;西侧屋面板埋件与⑥轴交Ⓒ～轴屋架点焊,东侧部分屋面板埋件与⑥轴交Ⓒ～轴屋架未焊接;东西两侧部分屋面板埋件与⑦轴交Ⓒ～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钢屋架图集的要求。

　　 (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(下弦杆)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(下弦杆)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。

　　 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(下弦杆)吊装风管部件不满足设计要求,对屋架结构有不利影响。

　　 (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。

　　 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。