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【摘要】单层轻钢结构厂房，在安装施工过程中，因违背施工程序，会出现导致厂房整体倒塌的恶性事故。文中分析了某轻钢结构厂房在安装过程中遇风倒塌的原因。
【关键词】轻钢厂房；施工；倒塌
1、概述
某企业厂房地处黄河三角洲地区的港口工业园区内。厂房结构体系为单层、双跨轻钢结构体系；厂房高12.8m，两跨相连，单跨跨度30m，双跨跨度60m，柱距7.5m，厂房沿纵向长度112.5m。厂房平面布局見图1，厂房单榀刚架布置见图2。
2、事故过程
2012年8月3日，该厂房的所有刚架均已安装完备，柱脚已经调平、固定，系杆安装完毕；刚架柱脚按铰接设计，采用四个螺栓固定；厂房外纵墙采用蒸压粉煤灰砌块砌筑已砌筑完成；沿厂房纵向设置的系杆和檩条安装完毕，抗风柱安装完毕。厂房屋面板未安装，厂房纵向柱间垂直支撑未安装，厂房刚架横梁上的横向水平支撑未安装；调整后的刚架柱脚下面由四个螺栓支撑，处于悬空状态，没有灌筑混凝土。
2012年8月3日下午四时左右，一场风力八级、阵时风力达十级的大风袭来，吹到了全部已安装好的钢架，刚架沿厂房纵向方向全部倒塌。倒塌刚架中的钢梁和钢柱发生了严重的扭曲变形；柱脚螺栓全部损毁，轻的发生弯曲、重的被拉断；已砌筑好的两道外纵墙全部倒塌；连接刚架间的系杆螺栓被剪断，个别系杆发生了弯曲；置于厂房内的安装机械及吊车全部被砸毁。此次倒塌事故造成的直接经济损失约700万元。厂房倒塌现状见图3和图4。
3、原因分析
经分析，导致厂房刚架倒塌的原因有以下两个方面。
3.1原因1
本工程施工过程中严重违背了施工安装程序，在安装中，未能及时安装柱间纵向垂直支撑和横梁间的横向水平支撑，使得已经安装完毕的钢架与刚架之间、刚架与基础之间均没能形成一个具有传递水平外力及抵抗水平外力的空间结构体系。台风吹来时，结构无法有效传递水平风力，导致倒塌。
3.2原因2
本工程刚架的柱脚是按照铰接设计的，每个柱下有4个直径24mm的Q235普通钢螺栓固定。台风袭来时，刚架既没有安装柱间和横梁间的支撑体系，也没有对调整完毕的柱脚适时灌筑混凝土。刚架仅仅依靠每颗柱下的4根螺栓支撑，基本处于悬空状态。柱脚距地面的悬空高度达200mm。若将每根螺栓视为一根承重柱，则该柱为一端固定、另一端铰接的钢柱。风力来临时，相当于一个直径24mm、高200mm的钢柱，承受着由上面刚架传来的竖向轴压力、竖向轴拉力、水平剪力和弯矩。
3.2.1刚架柱脚螺栓受力分析
3.2.1.1风力计算
根据事故发生日当地气象部门的记录，当日风速最高值为27m/s，根据风压与风速的关系，相应的风压值为：
wp=v2/1600=272/1600=0.455KN/m2?
3.2.1.2边柱受力计算
边柱地脚螺栓承受的刚架传来的自重为2105.7Kg，边柱柱脚螺栓每个所承受的竖向轴压力为5.26KN。
边柱因风所传递给每个地脚螺栓的剪力为1.52KN。
边柱因风传给柱子受压一侧螺栓，每个螺栓因风承受的压力为52.92KN。
边柱因风传给柱子受拉一侧螺栓，每个螺栓因风承受的拉力为52.92KN。
考虑风和刚架自重双重作用，则：
a.边柱受拉一侧单个螺栓的轴向拉力为：N=52.92-5.26=47.66KN；所受剪力为1.52KN。
b.边柱受压一侧单个螺栓的轴向压力为：N=52.92+5.26=58.18KN；所受剪力为1.52KN。
（1）边柱剪拉螺栓承载能力计算
边柱剪拉螺栓承载能力计算时螺栓假定为一根一端固接、一端铰接的钢柱。依据下述公式进行验算：
螺栓轴心受拉计算
N/An≦f
式中：N=47.66KN；An=452mm2；f=205N/mm2?
算得：N/An=47.66*1000/452=105.44N/mm2f=205N/mm2?
验算结果：螺栓抗拉安全
螺栓抗剪计算
V/φAn≦fv
式中：V=1.52KN；An=452mm2；fv=120N/mm2?
算得：V/An=1.52*1000/452=3.36N/mm2 验算结果：抗剪安全
（2）边柱剪压螺栓承载能力计算
边柱剪压螺栓承载能力计算时螺栓假定为一根一端固接、一端铰接的钢柱。依据下述公式进行轴心受压验算：
螺栓轴心受压计算
N/φAn≦f
式中：N=58.18KN；An=452mm2；f=205N/mm2；l=200mm
I=∏d2.d2/64；A=∏d2/4
i=（I/A）1/2=（∏d2.d2/64/∏d2/4）1/2=6
λ=l/i=200/6=33.3
查表得：φ=0.957
算得：N/φAn=58.18*1000/0.957*452=134.5N/mm2 验算结果：抗压安全
螺栓抗剪计算：
V/An≦fv
式中：V=1.52KN；An=452mm2；fv=120N/mm2?
算得：V/An=1.52*1000/452=3.36N/mm2 验算结果：抗剪安全
3.2.1.3中柱受力计算
中柱地脚螺栓承受的刚架传来的自重为3167.5Kg，中柱柱脚螺栓每个所承受的竖向轴压力为7.92KN。 中柱因风所传递给每个地脚螺栓的剪力为2.22KN。
中柱因风传给柱子受压一侧螺栓，每个螺栓因风承受的压力为83.49KN。
中柱因风传给柱子受拉一侧螺栓，每个螺栓因风承受的拉力为83.49KN。
考虑风和刚架自重双重作用，则：
a.中柱受拉一侧单个螺栓的轴向拉力N=83.49-7.92=75.57KN；所受剪力为2.22KN。
b.中柱受压一侧单个螺栓的轴向压力N=83.49+7.92=91.41KN；所受剪力为2.22KN。
（1）中柱剪拉螺栓承载能力计算
中柱剪拉螺栓承载能力计算时螺栓假定为一跟一端固接、一端铰接的钢柱。依据下述公式进行轴心受拉验算：
螺栓轴心受拉计算
N/An≦f
式中：N=75.57KN；An=452mm2；f=205N/mm2?
算得：N/An=75.57*1000/452=167.19N/mm2 驗算结果：抗拉安全
螺栓抗剪计算：
V/φAn≦fv
式中：V=2.22KN；An=452mm2；fv=120N/mm2?
算得：V/An=2.22*1000/452=4.91N/mm2?fv=120N/mm2?
验算结果：抗剪安全
（2）中柱剪压螺栓承载能力计算
中柱剪压螺栓承载能力计算时螺栓假定为一跟一端固接、一端铰接的钢柱。依据下述公式进行轴心受拉计算：
螺栓轴心受压计算
N/φAn≦f
式中：N=91.41KN；An=452mm2；f=205N/mm2；l=200mm
I=∏d2.d2/64；A=∏d2/4
i=（I/A）1/2=（∏d2.d2/64/∏d2/4）1/2=6
λ=l/i=200/6=33.3
查表得：φ=0.957
算得：N/φAn=91.41*1000/0.957*452=211.32N/mm2>f=205N/mm2?
验算结果：抗压不安全
依据下述公式进行螺栓抗剪计算：
V/An≦fv
式中：V=2.22KN；An=452mm2；fv=120N/mm2?
算得：V/An=2.22*1000/452=4.91N/mm2fv=120N/mm2?
验算结果：抗剪安全
3.3结论
本工程破坏的主要原因是由于柱子调整完备后，未及时灌注柱下混凝土，使柱子的竖向轴力和水平剪力不能靠柱下的抗剪键传到基础上，而是靠四根无横向包裹约束的螺栓承担竖向轴力和水平剪力。台风来袭时，中柱支承柱脚的受压螺栓因所受压力超过其极限值，首先发生压弯破坏；中柱的受压螺栓破坏后，受拉螺栓的轴向拉力会突然增大，拉力值超过其极限抗拉承载能力导致破坏，最终中柱倒塌。由于中柱与边柱是一体化的结构，受中柱的拉扯，在中柱倒塌的同时边柱也一起倒塌。
上述计算仅是按螺栓高度200mm、风力按27m/s计算，没有考虑分项系数，若考虑其它不利因素的影响，中柱的受压螺栓的压力会更大，倒塌程度会更为严重。
另外，在本工程中，柱间支撑的缺失，放大和加剧了刚架的倒塌程度。
4、结束语
本工程出现事故的主要原因是施工中严重违背施工程序，施工中图方便、图省事，导致结构无法正常工作所致。
为确保轻钢结构厂房在施工中的安全，在各类轻钢厂房的施工中务必做到以下两点：一是安装完成两榀相邻的刚架后，应立即将相关的柱间纵向垂直支撑、屋面横向水平支撑和水平系杆及时的安装完毕，使刚架形成稳定的空间结构，具有承受水平力的能力。能将水平力通过柱间支撑和柱脚与基础的摩擦或柱脚设置的抗剪键传到基础中；二是柱子校正完成后，应立即在柱脚下浇筑填实混凝土，使柱脚能将竖向力和水平力有效的传到基础上，而不是把水平剪力和竖向轴力传到临时固定的螺栓上，在柱脚螺栓上衍生出巨大的轴向拉力和轴向压力，让螺栓承担不该承担的外力。只要按程序施工，就能避免类似工程事故的发生。
【关键词】轻钢厂房；施工；倒塌
1、概述
某企业厂房地处黄河三角洲地区的港口工业园区内。厂房结构体系为单层、双跨轻钢结构体系；厂房高12.8m，两跨相连，单跨跨度30m，双跨跨度60m，柱距7.5m，厂房沿纵向长度112.5m。厂房平面布局見图1，厂房单榀刚架布置见图2。
2、事故过程
2012年8月3日，该厂房的所有刚架均已安装完备，柱脚已经调平、固定，系杆安装完毕；刚架柱脚按铰接设计，采用四个螺栓固定；厂房外纵墙采用蒸压粉煤灰砌块砌筑已砌筑完成；沿厂房纵向设置的系杆和檩条安装完毕，抗风柱安装完毕。厂房屋面板未安装，厂房纵向柱间垂直支撑未安装，厂房刚架横梁上的横向水平支撑未安装；调整后的刚架柱脚下面由四个螺栓支撑，处于悬空状态，没有灌筑混凝土。
2012年8月3日下午四时左右，一场风力八级、阵时风力达十级的大风袭来，吹到了全部已安装好的钢架，刚架沿厂房纵向方向全部倒塌。倒塌刚架中的钢梁和钢柱发生了严重的扭曲变形；柱脚螺栓全部损毁，轻的发生弯曲、重的被拉断；已砌筑好的两道外纵墙全部倒塌；连接刚架间的系杆螺栓被剪断，个别系杆发生了弯曲；置于厂房内的安装机械及吊车全部被砸毁。此次倒塌事故造成的直接经济损失约700万元。厂房倒塌现状见图3和图4。
3、原因分析
经分析，导致厂房刚架倒塌的原因有以下两个方面。
3.1原因1
本工程施工过程中严重违背了施工安装程序，在安装中，未能及时安装柱间纵向垂直支撑和横梁间的横向水平支撑，使得已经安装完毕的钢架与刚架之间、刚架与基础之间均没能形成一个具有传递水平外力及抵抗水平外力的空间结构体系。台风吹来时，结构无法有效传递水平风力，导致倒塌。
3.2原因2
本工程刚架的柱脚是按照铰接设计的，每个柱下有4个直径24mm的Q235普通钢螺栓固定。台风袭来时，刚架既没有安装柱间和横梁间的支撑体系，也没有对调整完毕的柱脚适时灌筑混凝土。刚架仅仅依靠每颗柱下的4根螺栓支撑，基本处于悬空状态。柱脚距地面的悬空高度达200mm。若将每根螺栓视为一根承重柱，则该柱为一端固定、另一端铰接的钢柱。风力来临时，相当于一个直径24mm、高200mm的钢柱，承受着由上面刚架传来的竖向轴压力、竖向轴拉力、水平剪力和弯矩。
3.2.1刚架柱脚螺栓受力分析
3.2.1.1风力计算
根据事故发生日当地气象部门的记录，当日风速最高值为27m/s，根据风压与风速的关系，相应的风压值为：
wp=v2/1600=272/1600=0.455KN/m2?
3.2.1.2边柱受力计算
边柱地脚螺栓承受的刚架传来的自重为2105.7Kg，边柱柱脚螺栓每个所承受的竖向轴压力为5.26KN。
边柱因风所传递给每个地脚螺栓的剪力为1.52KN。
边柱因风传给柱子受压一侧螺栓，每个螺栓因风承受的压力为52.92KN。
边柱因风传给柱子受拉一侧螺栓，每个螺栓因风承受的拉力为52.92KN。
考虑风和刚架自重双重作用，则：
a.边柱受拉一侧单个螺栓的轴向拉力为：N=52.92-5.26=47.66KN；所受剪力为1.52KN。
b.边柱受压一侧单个螺栓的轴向压力为：N=52.92+5.26=58.18KN；所受剪力为1.52KN。
（1）边柱剪拉螺栓承载能力计算
边柱剪拉螺栓承载能力计算时螺栓假定为一根一端固接、一端铰接的钢柱。依据下述公式进行验算：
螺栓轴心受拉计算
N/An≦f
式中：N=47.66KN；An=452mm2；f=205N/mm2?
算得：N/An=47.66*1000/452=105.44N/mm2f=205N/mm2?
验算结果：螺栓抗拉安全
螺栓抗剪计算
V/φAn≦fv
式中：V=1.52KN；An=452mm2；fv=120N/mm2?
算得：V/An=1.52*1000/452=3.36N/mm2
（2）边柱剪压螺栓承载能力计算
边柱剪压螺栓承载能力计算时螺栓假定为一根一端固接、一端铰接的钢柱。依据下述公式进行轴心受压验算：
螺栓轴心受压计算
N/φAn≦f
式中：N=58.18KN；An=452mm2；f=205N/mm2；l=200mm
I=∏d2.d2/64；A=∏d2/4
i=（I/A）1/2=（∏d2.d2/64/∏d2/4）1/2=6
λ=l/i=200/6=33.3
查表得：φ=0.957
算得：N/φAn=58.18*1000/0.957*452=134.5N/mm2
螺栓抗剪计算：
V/An≦fv
式中：V=1.52KN；An=452mm2；fv=120N/mm2?
算得：V/An=1.52*1000/452=3.36N/mm2
3.2.1.3中柱受力计算
中柱地脚螺栓承受的刚架传来的自重为3167.5Kg，中柱柱脚螺栓每个所承受的竖向轴压力为7.92KN。 中柱因风所传递给每个地脚螺栓的剪力为2.22KN。
中柱因风传给柱子受压一侧螺栓，每个螺栓因风承受的压力为83.49KN。
中柱因风传给柱子受拉一侧螺栓，每个螺栓因风承受的拉力为83.49KN。
考虑风和刚架自重双重作用，则：
a.中柱受拉一侧单个螺栓的轴向拉力N=83.49-7.92=75.57KN；所受剪力为2.22KN。
b.中柱受压一侧单个螺栓的轴向压力N=83.49+7.92=91.41KN；所受剪力为2.22KN。
（1）中柱剪拉螺栓承载能力计算
中柱剪拉螺栓承载能力计算时螺栓假定为一跟一端固接、一端铰接的钢柱。依据下述公式进行轴心受拉验算：
螺栓轴心受拉计算
N/An≦f
式中：N=75.57KN；An=452mm2；f=205N/mm2?
算得：N/An=75.57*1000/452=167.19N/mm2
螺栓抗剪计算：
V/φAn≦fv
式中：V=2.22KN；An=452mm2；fv=120N/mm2?
算得：V/An=2.22*1000/452=4.91N/mm2?fv=120N/mm2?
验算结果：抗剪安全
（2）中柱剪压螺栓承载能力计算
中柱剪压螺栓承载能力计算时螺栓假定为一跟一端固接、一端铰接的钢柱。依据下述公式进行轴心受拉计算：
螺栓轴心受压计算
N/φAn≦f
式中：N=91.41KN；An=452mm2；f=205N/mm2；l=200mm
I=∏d2.d2/64；A=∏d2/4
i=（I/A）1/2=（∏d2.d2/64/∏d2/4）1/2=6
λ=l/i=200/6=33.3
查表得：φ=0.957
算得：N/φAn=91.41*1000/0.957*452=211.32N/mm2>f=205N/mm2?
验算结果：抗压不安全
依据下述公式进行螺栓抗剪计算：
V/An≦fv
式中：V=2.22KN；An=452mm2；fv=120N/mm2?
算得：V/An=2.22*1000/452=4.91N/mm2fv=120N/mm2?
验算结果：抗剪安全
3.3结论
本工程破坏的主要原因是由于柱子调整完备后，未及时灌注柱下混凝土，使柱子的竖向轴力和水平剪力不能靠柱下的抗剪键传到基础上，而是靠四根无横向包裹约束的螺栓承担竖向轴力和水平剪力。台风来袭时，中柱支承柱脚的受压螺栓因所受压力超过其极限值，首先发生压弯破坏；中柱的受压螺栓破坏后，受拉螺栓的轴向拉力会突然增大，拉力值超过其极限抗拉承载能力导致破坏，最终中柱倒塌。由于中柱与边柱是一体化的结构，受中柱的拉扯，在中柱倒塌的同时边柱也一起倒塌。
上述计算仅是按螺栓高度200mm、风力按27m/s计算，没有考虑分项系数，若考虑其它不利因素的影响，中柱的受压螺栓的压力会更大，倒塌程度会更为严重。
另外，在本工程中，柱间支撑的缺失，放大和加剧了刚架的倒塌程度。
4、结束语
本工程出现事故的主要原因是施工中严重违背施工程序，施工中图方便、图省事，导致结构无法正常工作所致。
为确保轻钢结构厂房在施工中的安全，在各类轻钢厂房的施工中务必做到以下两点：一是安装完成两榀相邻的刚架后，应立即将相关的柱间纵向垂直支撑、屋面横向水平支撑和水平系杆及时的安装完毕，使刚架形成稳定的空间结构，具有承受水平力的能力。能将水平力通过柱间支撑和柱脚与基础的摩擦或柱脚设置的抗剪键传到基础中；二是柱子校正完成后，应立即在柱脚下浇筑填实混凝土，使柱脚能将竖向力和水平力有效的传到基础上，而不是把水平剪力和竖向轴力传到临时固定的螺栓上，在柱脚螺栓上衍生出巨大的轴向拉力和轴向压力，让螺栓承担不该承担的外力。只要按程序施工，就能避免类似工程事故的发生。