3.2坍塌事故概況

　　某年某月某時，A館作業(yè)時突然倒塌。A館當(dāng)時的施工狀態(tài)為：除西側(cè)懸挑部分，大面積網(wǎng)架安裝已經(jīng)完成，形成受力體系，屋面系統(tǒng)尚未安裝，處于自重受力狀態(tài)。其它3個館屋面系統(tǒng)已經(jīng)安裝完成，處于自重和屋面恒載受力狀態(tài)。

　　A館當(dāng)時有兩組工人在同時作業(yè)，一組在建筑物西側(cè)吊裝懸挑部分錐體，另一組在更換彎曲桿件。據(jù)當(dāng)事人介紹，一名施工人員在用焊機(jī)切割更換一根上弦桿時，網(wǎng)架發(fā)生劇烈晃動，然后中間鋼柱向內(nèi)傾斜，網(wǎng)架中部出現(xiàn)下陷，隨后由中間沿長度方向向兩邊波及，網(wǎng)架整體落地后，上弦向東側(cè)傾倒，整個過程不到一分鐘，另據(jù)目擊者描述，網(wǎng)架坍塌過程中，縱向中部有兩根桿件相繼出現(xiàn)“下擺“現(xiàn)象，疑似為下弦桿。

　　經(jīng)過事故現(xiàn)場進(jìn)行勘察發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)架坍塌部位主要集中在平面桁架部分；南北兩端的柱大部分發(fā)生傾斜，很多鋼柱與基礎(chǔ)脫離，南面基礎(chǔ)混凝土發(fā)生不同程度脆裂，部分柱錨被拉斷；中間的平面桁架呈現(xiàn)由西向東多米諾骨牌式的跌倒?fàn)?，桿件彎曲，多處螺栓節(jié)點(diǎn)被剪斷；南北兩端的3層網(wǎng)架基本上整體坍塌，東西兩端的四角錐網(wǎng)架并未發(fā)生倒塌，但部分桿件彎曲變形；北端的鋼柱隨網(wǎng)架一同倒塌，南端的網(wǎng)架與支座脫離。

　　3.3坍塌事故原因分析

　　3.3.1設(shè)計原因分析

　　1）平面桁架未設(shè)置縱向斜腹桿，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差

　　《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》JGJ7-91第2.0.6條建議“平面形狀為矩形，多支點(diǎn)支撐網(wǎng)架，可根據(jù)具體情況選用：正方四角錐網(wǎng)架、正放抽空四角錐網(wǎng)架、兩向正交正放網(wǎng)架?！蓖ㄟ^比較可以發(fā)現(xiàn)，該工程所采用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)同傳統(tǒng)的兩向正交正放網(wǎng)架相比，其在四周增設(shè)了3層網(wǎng)架和正放四角錐網(wǎng)架，且中間的平面桁架又抽除了縱向斜腹桿，橫向桁架間僅在上、下弦平面和整體穩(wěn)定性都發(fā)生了很大變化。由于追求建筑上簡潔、通透的效果，建筑師反對使用正放四角錐網(wǎng)架，堅持采用桁架結(jié)構(gòu)。同時，由于建筑通透感的要求，再加上部分夾角過小，螺栓不好配，設(shè)計人員遂將受力較小的縱向桁架斜腹桿抽除，以免結(jié)構(gòu)顯得凌亂。在這種情形下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全儲備太低。此次因?yàn)楦顢嘁桓鶙U件就導(dǎo)致大規(guī)?？逅鹿拾l(fā)生，也正說明了這一點(diǎn)。

　　設(shè)計人員也曾發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定系數(shù)比較低，但其認(rèn)為可能是荷載加的比較大的緣故，可以通過屋面板的蒙皮效應(yīng)和構(gòu)件穩(wěn)定來保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。蒙皮效應(yīng)是指維護(hù)結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)的整體加強(qiáng)作用，這種效應(yīng)可以大大增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的空間整體性。但蒙皮效應(yīng)很難明確地量化，它受很多條件影響，不同的工作情況下，蒙皮的作用效應(yīng)也不同，工程中一般只將其作為一種結(jié)構(gòu)上的儲備。并不是所有的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造在設(shè)計時都可以考慮蒙皮效應(yīng)。目前我國的規(guī)范中只是規(guī)定，當(dāng)采用不能滑動的連接件連接壓型鋼板及其支撐構(gòu)件形成屋面或墻面等維護(hù)體系時，可在單層房屋設(shè)計中考慮蒙皮作用。由于缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)資料，加上我國的施工企業(yè)良莠不齊，連接構(gòu)造和工藝不能得到可靠保證，所以在絕大多數(shù)設(shè)計中只是作為一種剛度儲備，沒有考慮應(yīng)力的蒙皮效應(yīng)。

　　可見，結(jié)構(gòu)體系如此設(shè)計是存在很大問題的，整體穩(wěn)定性得不到保證，冗余度不足，對初始缺陷非常敏感。交點(diǎn)處的上弦水平系桿被割斷，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并沒有產(chǎn)生大的影響，主要是對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響很大，桿件割斷瞬間產(chǎn)生的沖擊力使橫向桁架平面外失穩(wěn)。所以，縱向斜腹桿的抽除是不正確的，這使得結(jié)構(gòu)沒有了抗側(cè)力，剛度比較小。

　　2）桁架間未設(shè)置交叉支撐

　　要提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和剛度，僅僅增加縱向斜腹桿是不夠的。該展覽館屋蓋中間的桁架區(qū)域面積達(dá)到126m×60.5m，如此大的區(qū)域卻沒有設(shè)置任何的交叉支撐。如果在上下弦各增設(shè)幾道水平支撐，將中部的片體桁架分割成若干個小區(qū)域，不僅可以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，倘若一個桿件發(fā)生了破壞，也可以通過這些交叉支撐的分隔作用使破壞不會蔓延到其他區(qū)域，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的連續(xù)性倒塌。

　　3）平面桁架采用螺栓球節(jié)點(diǎn)

　　桁架結(jié)構(gòu)通常都是用鋼管直接相貫焊接而形成相貫節(jié)點(diǎn)，采用螺栓球節(jié)點(diǎn)連接的并不多見，螺栓球節(jié)點(diǎn)一般用于跨度不大的輕型四角錐網(wǎng)架和三角錐網(wǎng)架。該工程如此大跨度的平面桁架，應(yīng)該采用相貫節(jié)點(diǎn)而非螺栓球節(jié)點(diǎn)，可能只考慮了安裝施工速度快而采用了螺栓球節(jié)點(diǎn)。

　　4）縱向系桿剛度差

　　該工程縱向水平系桿上弦采用的是Φ75.5×3.75的圓管，下弦采用Φ60×3.50的圓管，系桿長度約為2.3m，而橫向桁架的上弦多為Φ159×10的圓管，下弦管截面尺寸多為Φ159×8，縱向系桿的截面相比就小了很多。

　　3.3.2施工原因分析

　　1）施工操作方式不當(dāng)，更換桿件時未采取加固措施

　　施工人員在切割更換系桿時，施工單位并沒有在事前提供更換方案，對原結(jié)構(gòu)也無任何防護(hù)和保護(hù)措施，由此引起上弦桿平面外失穩(wěn)而導(dǎo)致連續(xù)坍塌。

　　2）螺栓球存在假擰緊現(xiàn)象

　　當(dāng)采用手動扳手?jǐn)Q緊時，高強(qiáng)螺栓可能達(dá)不到緊密頂緊的程度，所以此種節(jié)點(diǎn)連接的可靠性極大地依賴于安裝質(zhì)量。

　　3.4坍塌事故警示

　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)本身是安全儲備度很高的，即使是一些桿件退出工作，也可以通過自身的內(nèi)力重分布進(jìn)行調(diào)節(jié)。但此項(xiàng)事故不得不引起人們深思，在追求結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、用鋼量最低的同時絕不可以犧牲必要的結(jié)構(gòu)冗余度。

　　可以說，幾乎所有的網(wǎng)架倒塌事故都是冗余度不足造成的。提高結(jié)構(gòu)的冗余度從結(jié)構(gòu)選型、平面布置、構(gòu)造措施、施工質(zhì)量等多方面綜合考慮、共同控制，對于關(guān)鍵構(gòu)件要進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，保證在結(jié)構(gòu)遭受偶然荷載作用時，這些關(guān)鍵構(gòu)件不會立即發(fā)生失效，同時外加荷載可通過其他構(gòu)件的塑性發(fā)展而重新分布，從而達(dá)到提高整個建筑整體性和堅固性、防止發(fā)生連續(xù)性倒塌的目的。此次事故正是因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)冗余度過低，恰恰又是關(guān)鍵桿件被毫無防護(hù)地抽除，最終導(dǎo)致了網(wǎng)架整體的連續(xù)性垮塌。
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