案例-彎曲變形與強度

1、臺灣豐原高中禮堂坍塌事故原因分析建筑物坍毀是工程事故發(fā)展的最終階段，因此所有坍塌事故均屬于惡性事故。按照建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GB 6884、GB 500682001)和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計“小震不壞，中震可修，大震不倒”三準(zhǔn)則的要求，所有坍塌事故，包括地震災(zāi)后的坍塌事故，都屬于責(zé)任事故，應(yīng)該追究當(dāng)事人責(zé)任。只有經(jīng)過分析鑒定，確認(rèn)事故原因存在設(shè)計安全水準(zhǔn)以外的意外因素時，才能界定為天災(zāi)，豁免當(dāng)事人責(zé)仟。下面列舉的坍塌事故都是近年來發(fā)生在國內(nèi)外的引起全社會關(guān)注的惡性事故，并且都是人為過失事故。說明在所有工程事故中，人為過失事故占了很大比例，值得警惕!1案例背景 該禮堂位于一棟195m×495m

2、的兩層長方形建筑的第2層(底層為教室)，層高6m，平面如圖1所示。屋頂結(jié)構(gòu)由跨度195m、中心間距45m的鋼桁架承重。桁架端部高125cm，跨中高135cm，次桁架起縱向支撐的作用，并與主桁架相連接構(gòu)成整體，由40cm×60cm的鋼筋混凝土柱與縱向連系梁組成縱向排架支承，并在軸處從聯(lián)系梁則面懸挑出一很大的鋼筋混凝土雨篷。屋蓋系統(tǒng)如圖2所示。圖2 禮堂頂層結(jié)構(gòu)簡圖圖1 中學(xué)禮堂平面圖 施工過程中，由于某種原因，在底層教室完工后，曾有10個月的停工間隙期，因而在第2層樓面以上的鋼筋混凝土立柱中，存在施工縫的處理問題。 該建筑于1975年1月竣工。由于出現(xiàn)嚴(yán)重的屋面滲漏現(xiàn)象，在1983年6

3、月對屋面進行返修。返修時，為了改善屋面的保溫隔熱性能，在屋頂上增加了一個蓄水保溫系統(tǒng)。 1983年8月24日，該禮堂屋頂結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌。雖然事故的前一天曾經(jīng)下過雨，但在事故發(fā)生的時候，并未在結(jié)構(gòu)上施加任何臨時額外荷載，坍毀前也沒有出現(xiàn)異兆。2可用于事故原因分析的線索（1）節(jié)點連接的施工質(zhì)量問題 臺灣技術(shù)學(xué)院的CY林教授經(jīng)過現(xiàn)場考察認(rèn)為，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的坍毀很可能是始于下弦拉桿的某一焊接頭斷裂，或者是由于垂直桿與斜撐桿的螺栓接頭松脫，也可能是由于鋼筋混凝土立柱底腳施工縫處被折斷。 在廢墟上進行的調(diào)查表明，下弦的許多焊接點已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，甚至裂口、脫落。當(dāng)然，這也可能是在屋架下塌過程中摔傷的，但更大的可能是

4、焊接質(zhì)量本身的問題。因為在調(diào)查過程中，對一些未損壞的焊接點進行過X光透視，證明焊接質(zhì)量確實很差。由此可見，受拉的下弦桿從焊接點拉斷導(dǎo)致事故的可能性要大些。討論題：一個節(jié)點連接的斷裂破壞能否導(dǎo)致屋蓋整體坍塌？（2）結(jié)構(gòu)計算模型實際屋架結(jié)構(gòu)是一個平板網(wǎng)架，或空間桁架。全部桿件可視為二力桿，全部節(jié)點可視為鉸節(jié)點。在原設(shè)計中，結(jié)構(gòu)被視為平面桁架進行計算，計算簡圖如圖3所示。從整體上看相當(dāng)于一個受彎的梁。一般地，平面結(jié)構(gòu)的模型可看作是空間桁架模型的偏于保守的簡化，但對于結(jié)構(gòu)極限破壞載荷的分析，兩者有較大的差別。圖3 原設(shè)計的屋架結(jié)構(gòu)計算簡圖（3）屋架支座類型的選擇問題通常大跨度的梁或桁架都設(shè)計成簡支梁，

5、即兩個支座分別為固定鉸和可動鉸。然而，雖然豐原高中的屋架原設(shè)計方案是采用簡支（立柱柱頂只受軸向壓力），但可動鉸的實際結(jié)構(gòu)構(gòu)造選型卻限制了支座的水平滾動或滑動位移，等于采用了兩端都是固定鉸的支撐方式，成為外力一次靜不定結(jié)構(gòu)。當(dāng)屋架的水平長度發(fā)生變化時，柱頂將受到橫向水平力作用而使柱子受彎，此彎矩作用原設(shè)計并沒有考慮。討論題：受彎構(gòu)件的縱向尺寸變化是否可以忽略不計？在什么條件下可以忽略不計？對于支撐在柱頂上的屋架支座來說，支座類型的選擇對結(jié)構(gòu)強度是否有影響？（4）屋架的彎曲剛度問題CY林教授對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行了詳細(xì)的分析，但忽視了變形計算。結(jié)構(gòu)最初遇到的問題是出現(xiàn)屋面滲漏。而影響屋面防水質(zhì)量的一個重

6、要因素被懷疑是屋架的彎曲變形過大，即設(shè)計存在彎曲剛度偏小的問題。按照彎曲變形概念和工程經(jīng)驗，受彎構(gòu)件的剛度可由截面高度與其跨度之比（高跨比）表達。原設(shè)計主桁架的高跨比只有1/14.4。根據(jù)內(nèi)地的經(jīng)驗，一般平板鋼網(wǎng)架很少做到1/14（規(guī)范推薦不低于1/101/14，工程常用值為1/9左右）。對于重型屋蓋，剛度小往往會引起卷材防水層錯動、撕裂。討論題：彎曲剛度偏小會不會影響彎曲強度？（5）屋面超載問題許多重大事故都存在超載問題，本例在事故發(fā)生時的實際載荷是否已經(jīng)超過了結(jié)構(gòu)的設(shè)計載荷？這是事故調(diào)查關(guān)心的主要問題之一。屋面超載的因素主要是對屋面返修時蓄水保溫系統(tǒng)的自重，另外事故前的一場暴雨和排水口被堵

7、塞使得屋面載荷顯著超過了原設(shè)計值。臺灣技術(shù)學(xué)院的CY林教授對禮堂屋架結(jié)構(gòu)進行了多種模型多種工況的計算分析，根據(jù)他的計算結(jié)果，主桁架桿件的最大內(nèi)力的超載系數(shù)在返修前分別是上弦0.907，下弦1.19。返修后增大至上弦1.410,下弦1.860，立柱的彎矩增大系數(shù)是1.55?？梢娢菝娣敌迣Τd的影響很大，而且是下弦拉桿成為最危險的部位。討論題: 超載因素能否成為導(dǎo)致事故的主要原因?3對于事故主要原因的判定CY林教授的分析認(rèn)為由于屋架支座的設(shè)計不當(dāng)，使立柱承受了過大的彎矩是導(dǎo)致坍塌的主要原因。工程事故與安全一書的作者分析認(rèn)為一般鋼結(jié)構(gòu)抗拉的安全儲備和鋼筋混凝土立柱抗彎的能力都較大，工程實際上也沒有出現(xiàn)過因受到水平推力而引起立柱傾覆和屋