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关于建立《幕墙——屋顶事故学》的构思
作者:房屋安全鉴定办公室  点击:7062  日期:2008/5/23 10:48:40
【摘 】本文论述幕墙、屋顶事故学内涵、目的、内容和方法。依照钢结构事故分析经验和资料,搜集了一些幕墙、屋顶结构实例事故,并对其原因作了探讨分析。
关键词】幕墙、屋顶事故学、事故处理的程序、事故链、事故原点和事故源点、可靠性鉴定。

 
一、为什么提出幕墙——屋顶事故学
中国建筑幕墙从1983年开始起步,历经20多年,前10年中国建筑幕墙平均年产量约200万㎡,后10年平均年产量约800万㎡,比前10年平均年产量翻了两番。2003年我国生产了约1000万㎡建筑幕墙,约占全世界当年用量的2/3左右,到2003年底我国建成了约一亿㎡各式建筑幕墙(包括屋面)工程,占世界总量的一半还多。从首都北京到新疆库尔勒,从上海等东部沿海大城市到西部新兴城市,从海拔5000m西藏的拉萨到基本风压为1.3kPa 的东海嵊泗,从东北的哈尔滨到海南岛三亚,随处可见新型建筑幕墙、屋顶装点着秀丽的城市大街。建筑幕墙、屋顶已经成为现代建筑文化、建筑个性化、建筑艺术、建筑新科学的重要标志。中国已成为世界第一幕墙、屋顶生产大国和使用大国。
幕墙、屋顶在材料、加工工艺、施工技术、理论分析和设计方法等诸方面都有了飞速发展和进步,它已成为当前的一大建筑热点,展现了其广阔的、具有强大生命力的前景。实际上,幕墙、屋顶的型式与应用范围是非常广泛的,在型式上有明框、隐框、单元、框架、点支、双层等,在面材上有玻璃、铝板、石材(花岗石、砂石、洞石等)、钛板、锌钛板、人造板(千斯板、陶土板、阳光板、瓷板、蜂窝石材板等),在支承结构上有:铝结构、普钢结构、轻钢结构、空间结构、索结构、张拉结构等;包容了刚性结构、柔性结构、半柔性结构等,有用于高度达400多米以上的高层建筑,跨度达200多米的空间结构
在幕墙、屋顶发展的同时,有下列三点忧虑:一是这些年来都曾发生过许多类型、原因、程度的不同事故,造成了人员伤亡和经济财产的损失;二是1996年以前幕墙、屋顶的工程,当时无行业标准及技术规范,结构胶的保证期大部已超过十年以上,由于先天性缺陷的存在,随着老龄化的继续,今后几年可能幕墙、屋顶事故高发期。这些工程的鉴定加固工作己迫在眉睫;三是1997年以后大规模兴建了不少新结构、新技术及很多重要、重大工程幕墙、屋顶,不解决好设计、制作、施工、管理等现存不适应向题,幕墙、屋顶事故发生概率可能大为增加。
我国早已提出了百年大计,质量第一的建设方针,前几年针对工程中发生的几起特大灾难性事故又提出质量终身负责制的要求,但是新事故仍在发生,重复性事故依然不断,究其原因,除了对事故教训的重要性认识不足,质量意识和事故意识树立得不普及、不坚定之外,对事故分析的研究工作不够,在建筑技术特别是幕墙、屋顶领域的先进技术日新月异,而相关事故的知识、技术准备和人才不足,事故教训和预防事故发生的对策和技术尚未科学化、系统化也是很重要原因。
上海市政协教科文卫体委员会在名为“对高层玻璃幕墙实行强制性安检的建议”的提案中表示,上海是世界上高层建筑最多的城市之一,高层建筑的安全将成为城市防灾减灾的重要内容,其中玻璃幕墙的安全问题尤为引人关注。上海市建筑科学研究院检测所对上海931幢玻璃幕墙建筑的调查显示,由于大多数是1997年前建造的,当时相关的行业规范尚未正式发布,有关幕墙的设计、施工以及验收等都缺乏规范。
据了解,根据玻璃幕墙工程规范的要求,对幕墙必须10年进行一次全面的安检,上海在20世纪8090年代建造的玻璃幕墙,有的已到了10年期,有的快要接近10年期,但是否都进行过权威性检测机构的安检,却缺乏监督、检查。
为此,上海市政协教科文卫体委员会建议,本市政府有关部门应加强对玻璃幕墙建筑的安全管理,对其安全使用和维护制定具体的规章制度。同时,对市里有关加强玻璃幕墙安检的措施,必须强制性实施,凡不执行者,追究法律责任。
同时建议,政府有关部门应指定有资质的权威性检测机构对玻璃幕墙进行定期检测,所有的玻璃幕墙建筑,都必须定期开展安全检测,并建立档案资料。未使用安全玻璃的,必须立即更新换成安全玻璃;用于粘贴玻璃的结构胶和玻璃本身,在使用年限即将到期前,必须更换改造;同时,要保持对玻璃幕墙建筑的经常性安检、维护和更新。
合肥市建管局发出紧急通告,要求省城各单位对所使用的幕墙进行一次全面检查。建管部门同时宣布:今后每3年将对所有幕墙进行一次强制检查。
建管部门要求全合肥各幕墙工程使用单位对幕墙工程进行一次全面检查,重点检查幕墙的整体外观、主要受力构件、连接构件、连接螺栓和排水系统及防雷、防水、防风、防火功能等。根据要求,原幕墙承包商必须陪同检查。
为杜绝可能出现的危险,建管部门同时要求各使用单位制订幕墙维修、保养计划和检查制度,配备专人负责,并做到:雨天或4级以上风力的天气情况下不宜使用开启窗;如遇6级以上风力时,应全部关闭开启窗;开启窗的开启角度不宜大于30°,开启距离不宜大于300㎜;清洗幕墙时,不得使用对幕墙玻璃、构件、附件、密封胶或密封胶条有腐蚀和破坏作用的强酸或强碱溶剂等清洁剂
基于上述认识,本人建议:通过事故的分析研究,把事故分析的结果使坏事变为好事,成为共同的宝贵的财富;,形成一门学科,创建幕墙、屋顶事故学,把幕墙、屋顶事故作为一门新兴科学开展研究,是具有实践性又具有学术性的开创性工作。
 
二、幕墙、屋顶事故学的内涵、目的和内容
1幕墙、屋顶事故学的内涵。从广义上讲,意外的变故或灾祸是为事故,事故是一种失败,但事故与失败在性质上又不完全相同,当失败的结果形成重大事态即是事故。从工程建设上讲,当建筑结构不能满足预定的安全、适用性和耐久性的功能性要求,并且不具有适当的可靠性时,称为事故。
幕墙、屋顶发生事故的原因很多,有的很复杂,从广义上讲,有由于自然灾害或其他原因为当前人力所不能预防而造成的意外损害或破坏的事故——自然灾害事故;还有由于设计、施工、管理或操作及使用时的过失所引起的事故——责任事故。事故分析不单纯是一项纯技术性工作,有时可能涉及法律问题。因此,它是一门综合性学科,涉及材料学、力学、数学、构造学、设计方法、施工技术、质量管理学等,既是要科学地分析判断事故原因,又要提出预防及处理的措施和对策,所以合理而又经济地处理好幕墙、屋顶工程事故,与设计一个成功的幕墙、屋顶工程同样具有重要价值。
2幕墙、屋顶事故学研究的目的。通过多学科专家的联合攻关,形成一套完整的理论体系和分析方法:通过对已有事故的总结分析和已有工程的核查,获取经验,达到对已建幕墙屋顶的鉴定、加固、预防和新建幕墙、屋顶事前控制目的。
3.幕墙、屋顶事故学研究的内容。主要包括以下七个方面:一是事故的分类判定;二是事故的检测;三是事故的原因分析;四是事故的处理程序;五是事故的处理方法;六是事故后的反思;七是事故的监控预防。
 
三、国外相关事故学的做法
航空有专业的飞行事故分析及处理学,方法严谨,可以借鉴。尤其在日本,事故分析不但受到了工程界和学术界广泛重视,也受到了政府部门的高度重视。日本科技厅于20006月初提出了失败学,成立了科技失败教训(知识)研究会,吸收科技、心理学、法律和企业管理等领域的专家、学者作为成员,从事失败学的研究。该研究会的主要任务和目的是:有效利用科技领域过去的失败教训,使之推动成功,因为新的知识和发现以及新技术的开发,不少都是建立在不断失败的基础上,从事故和失败中一定能够学到知识,把这些事故和失败等实例搜集起来作为知识资源社会共有的财产,成为提高技术可靠性的有效手段。该研究会还于2002年开始建立《失败学数据及相应的检索系统》,它把土木工程材料、机械和化工等科技领域发生的事故和失败事例及知识信息能在需要的时候以需要的方式提供给需要的人,也可在风险管理方法的研究开发和技术人员的培训中充分利用这些失败的知识信息。
通过事故分析,造就了一个新兴的产业。当事故发生后,派专家前往事故现场,查找事故的原因并预防其再次发生。例如总部设在美国硅谷的解说者公司,就曾分析过日本于1995年神户地震所造成的灾难事故以及其他大小不同、性质不同的事故,收到了很好的技术经济效益和社会效益。
 
四、事故的分类
就幕墙屋顶结构工程而言,事故的分类方法有以下四种方式:
1.按事故发生时间分类
1)施工期。
2)使用期。
2.按事故性质分类
1)倒塌事故。屋顶、幕墙整体或局部倒塌。
2)破裂事故。面板破裂、结构等出现裂纹。
3)变形事故。屋顶、幕墙倾斜、扭曲或过大变形等事故。
4)功能事故。漏雨、漏气、隔热、隔声功能不良等。
3.按事故原因分类
l)自然事故。自然事故即人们常说的天灾,又称之为不可抗力。如地震、洪水、火山爆发、台凤、海啸。滑坡、陷落、冰雹等。
2)人为事故。人为事故就是除天灾以外的事故。
4.按事故后果分类
l)一般事故。
2)重大事故。
1989年建设部令第3号《工程建设重大事故报告和调查程序规定》中按照事故造成的人员伤亡或直接经济损失,将事故划分为一般和重大两类:一般工程质量事故系指造成重伤3人以下或直接经济损失在10万元以下者;重大事故系指造成死亡1人以上,或重伤3人以上,或直接经济损失10万元以上者。
5.按结构的生命阶段分类
1)建造阶段。建造阶段的风险多来自设计、施工的失误和疏忽。
2)使用阶段。主要来自非正常的外界活动,特别是自然和人为的灾害。
3)老化阶段。主要来自各种损伤的积累和正常抗力的丧失。
 
五、建造阶段的事故:设计、制作、安装三个阶段
1.设计阶段。目前设计人员相对较少,设计经验及水平较低,虽然已有先进的各种设计软件.但由于设计人员过分依赖计算机,缺乏工程背景和经验,人工干预的能力较差。另外,在追求低价的市场残酷竞争下导致结构的可靠性偏低。但人为错误是最主要的。常见的设计问题如下:
1)结构选型及设计方案不合理;
2)计算简图不当,结构计算错误;
3)荷载取值与实际受力情况不符;
4)材料选用不妥,不能满足工程需求;
5)节点构造不合理,造成致命缺点;
6)对施工阶段的特点和使用阶段的特殊要求欠考虑。
2.制作阶段。常见的问题如下:
l)不按图纸要求制作,任意修改施工图;
2)制作尺寸偏差过大;
3)制作工艺不良,设备落后;
4)缺少熟练的技术工人和高素质的管理人员;
5)不严格遵守施工及验收规范和操作规程的相关规定;
6)偷工减料。
3.安装阶段。出现事故的概率与施工组织设计紧密相关,具体问题如下:
l)安装顺序及工艺不当,甚至错误;
2)吊装、定位、校正方法不正确;
3)临时支撑刚度不足,安装中的稳定性差;
4)现场焊接及螺栓施工质量达不到设计要求;
5)存在偷工减料行为。
 
六、使用阶段
一是超载使用;二是局部改造削弱了构件截面和结构整体性;三是使用条件改变,但未进行必要的鉴定与加固;四是使用不当或人为破坏,造成构件或结构损坏但未及时修复;五是使用条件恶劣,又不认真执行结构定期检查维修规定;六是不可抗力。如火灾、水灾、地震、爆炸等。
 
七、老化阶段
主要有:一是采光顶及1996年以前建筑幕墙,因无技术标准和技术规范,历经十年风雨沧桑,疾病缠身,甚至患上顽症,病入膏肓;二是各种缺陷和隐患的累积损伤下,其寿命将受到严重威胁,易发生事故;三是结构胶、耐候胶、胶条及其他材料老化、蠕变;四是材料锈蚀、应力松弛;五是其他老年病或耐久性问题。避免事故发生,应大力开展残余可靠度理论以及鉴定与加固的研究工作。
 
八、事故的一般处理程序
事故的处理程序也是十分重要的一项研究内容。分析事故的最终目的是为了处理事故。由于事故处理的复杂性、危险性、连锁性、选择性及技术难度大等特点,因此事故处理必须持科学、慎重的观点,并严格遵守一定的处理程序。
1.事故处理必备的条件
1)处理目的应十分明确;
2)事故情况清楚。 一般包括事故发生的时间、地点、过程、特征描述、观测记录及发展变化规律等;
3)事故性质明确。
通常应明确三个向题:一是结构性还是一般性;二是实质性还是表面性;三是事故处理的紧迫程度。
4)事故原因分析准确、全面。事故处理就像医生给人看病一样,只有弄清病因,方能对症下药。
5)事故处理所需资料应齐全。 资料是否齐全直接影响到分析判断的准确性和处理方法的选择。
2.事故处理的基本要求及注意事项。事故处理通常应达到四项要求:
1)安全可靠,不留隐患;
2)满足使用或生产要求;
3)经济合理;
4)施工简便、安全。
要达到上述要求,事故处理必须注意以下事项:
l)综合治理。首先,应防治原有事故处理后引发新的事故;其次,注意处理方法的综合应用,以取得最佳效果;再者,一定要消除事故根源,不可治表不治里。
2)事故处理过程中的安全。国内外有些结构事故在处理过程中或者说在加固改造的过程中倒塌,造成了更大的人员伤亡和财产损失,为避免此类事故的发生,应注意以下问题:
一是对于严重事故,岌岌可危,随时可能倒塌的建筑,在处理之前必须有可靠的支护;二是对需要拆除的承重结构部分,必须事先制定拆除方案和安全措施;三是凡涉及结构安全的,处理阶段的结构强度和稳定性十分重要,应引起足够重视;四是重视处理过程中由于附加应力引发的不安全因素;五是在不卸载条件下进行结构加固,应注意加固方法的选择以及对结构承载力的影响。例如,国内曾发生过钢屋架受拉弦杆及腹杆由于采用端焊缝加固致使截面软化而引发的倒塌事故。
3)事故处理的检查验收工作。
 
九、事故处理的程序
幕墙屋顶事故虽然有其特殊性,但事故处理程序与建筑事故大同小异,其一般工作程序为:申报或委托——成立鉴定小组——事故调查——事故原因分析——结构可靠性鉴定——事故调查报告——处理前复查——处理方案——处理设汁——施工方案——施工检查验收。
1.申报和委托。凡重大工程事故,必须上报。
2.成立鉴定小组。鉴定小组的成立通常应与委托方签订合同,明确鉴定的目的和范围。
3.事故调查。事故调查一般分为初步调查和详细调查,主要调查事故的内容、范围。性质,为事故原因分析及处理方法确定提供依据。
4.事故原因分析。
5.结构可靠性鉴定。 通常包括安全性、适用性和耐久性三项内容。
6.事故调查报告。通常包括以下内容:工程概况,事故概况,事故是否作过处理,事故调查中的实测数据和各种试验数据,事故原因分析,结构可靠性鉴定结果,事故处理建议。
7.处理前复查。处理前复查工作的重点是查清是否留有隐愚,确定事故的直接原因及性质,并认真做好记录,必要时应拍摄照片或录像。
8.处理方案。处理方案确定的依据是事故调查报告、实地勘察成果以及用户的要求等。
9.处理设计。处理设计既要保证安全,也要注意经济性及可行性。
10.施工方案。施工方案是确保设计要求和满足规范要求。不合理或错误的施工方案将导致加固过程中新事故的发生。
11.施工检查验收。事故处理完毕后,应根据规范规定及设计要求进行检查验收,办理竣工验收文件。
 
十、事故类型及原因的综合分析
1.概述。建筑事故的发生往往由多种因素构成,其中,人、物、自然环境和社会条件是最基本的四种因素,尤其人的影响不容忽视。通常构成事故的原固可分为直接和间接两大类。直接原因主要有人的不安全行为和物的不安全状态,例如违规设计、违章操作等。间接原因是指事故发生场所以外的社会环境因素,如管理混乱、质检失责等。
2.事故链分析。工程质量事故、特别是重大事故的发生,原因往往是多方面的。如果我们将各种原因与结果连接起来,就形成一个链条,通常称之为事故链。由于原因与结果之间的逻辑关系不同,则形成的事故链也不同,主要形式如下:
1)因果集中型。各自独立的几个原因,共同导致事故的发生,称为集中型,如图1所示。
图1  多因致果集中型
2)因果连锁型。某一因素促成下一要素的发生,这些因果连锁发生而造成事故,称为连锁型,如图10.2所示。
图2  因果连锁型
3)复合型。从质量事故的调查中发现,单纯的集中型或单纯的连锁型均较少,常见的往往是,某些因果连锁中又有一些原因集中,最终导致事故的发生,称为复合型,如图3所示。
图3  复合型
通常对于一些重大的工程质量事故,通过事故链的分析,并采用逻辑推理法可以全面查明事故的本质原因。如图4所示。
图4  逻辑推理法
3事故原点和事故源点概念
1)事故原点。事故原点是事故发生的初始点,事故原点在质量事故分析中具有关键作用,它是一系列事故原因最终汇集起来形成事故的爆发点,同时它又是事故后果产生的起始点。事故原点的状况往往会反映出事故直接原因。因此,在事故分析中,寻找和分析事故原点非常重要。找出事故原点后,就可围绕它对现场的各种现象进行分析,把事故发生、发展的顺序逐步揭示出来,最后汇成事故链图,进一步分析事故的直接原因和间接原因。
2)事故源点。绝大多数的工程事故都是多方面原因造成的,每一个事故原因都有其起源事件,这些起源事件称为事故源点。例如单层厂房倒塌,原因有:无足够的临时固定措施、保证稳定的构件未能及时安装与固定、突然出现大风等。在这些原因中各有起源事件,如柱临时固定问题的起源事件可能是施工设计没有明确规定支撑和缆绳的设置要求;配套构件未能及时安装问题的起源事件,可能是构件制作、供应不及时,也可能是安装焊工或焊机不足等。  查找事故原点可以分析出事故的直接原因,而通过事故的直接原因又可找出事故的源点,这是工程质量事故原因分析的主要方法之一。
十一、幕墙工程常见质量问题分析与探讨
     (一)幕墙工程几种常见质量问题
1支座点安装质量通病
1)预埋件安装位置、标高、前后偏差大,造成多数埋件不能使用,影响节点受力和幕墙的安全使用性能;
2)支座节点未考虑三维方向微调位置,使安装过程中主梁无法调整;
3)支座焊接质量差,无防腐处理,有的破坏了原镀锌防腐层而未加处理,导致幕墙留下安全隐患,影响幕墙的安全使用;
4)支座节点松动或过紧,在外力或温度变化作用下产生异常响声。
2.幕墙雨水渗漏
1)幕墙耐候密封胶胶缝处渗水;
2)封边、封顶收口部位渗水;
3)开启窗部位漏气、漏水;
4)单元式板块幕墙渗水。
3.外观质量差
1)幕墙墙面平整度、立面垂直度、阴阳角棱线直线度等超标,视觉效果差;
2)幕墙饰面密封胶缝质量差,主要有胶缝宽窄不一,整条胶缝直线度超标,密封胶缝表面不光滑,有气泡和鼓包,胶缝边沿残留余胶或其他污染等缺陷;
3)幕墙饰面板材(铝板、石材、玻璃等)色差明显、钢化玻璃变形量大,有的产生波纹状,有的产生条纹状,更有甚者产生哈哈镜现象;
4)幕墙饰面受污染,有划伤、凹坑、刮痕、变色、变形等质量缺陷。
(二)产生质量问题原因分析
1.支座点安装质量问题原因分析
1)设置预埋件时,基准位置不准,质量控制不严,如:钢筋捆扎不牢或不当,混凝土模板支护不当,混凝土捣固时发生胀模、偏模,预埋件质量跟踪不到位,造成预埋件变位。个别工程主体结构施工时,根本未考虑幕墙预埋件的预埋。
2)支座节点设计时没有考虑三维方向微调功能。具有三维调节功能的支座节点形式如附图所示,该节点方案可以在前后、左右、上下六个方向进行调节,能吸收较大的土建误差。
3)施工时未做好技术交底,施工人员对图纸规范未能正确领会,有的不按图施工,不按标准规范要求施工。
4)幕墙支座节点调整后未进行焊接,引起支点处螺栓松动;多点连接支点处螺栓上得太紧,上下立柱芯套连接过紧,连接部位未打注密封胶,造成噪声。
2.幕墙雨水渗漏原因分析
幕墙发生雨水渗漏要具备三个要素,即缝隙、雨水和作用力。下面分别说明。
1)幕墙耐候密封胶注胶质量差,造成胶体开裂、孔隙,产生漏水。主要是打胶时没有按照打胶工艺进行,如注胶部位不清洁、胶缝深度过大形成三面粘结、胶在粘结固化前,受到灰尘沾染或损伤,填缝材料深浅不一,厚度不合要求,缝内注胶不密实、不均匀,个别漏封。硅酮耐候密封胶质量不过关也是胶缝渗水的原因之一。
2)封边、封顶等收口部位处理不合要求。如:收口板块直接与主体水泥砂浆接触,造成腐蚀,达不到应有的密封效果,必然造成漏水。
3)开启窗漏气、漏水。其主要原因是:
一是窗扇与窗框安装调整不当,组件制作尺寸误差大,装配后扇、框之间产生较大缝隙,封闭不严;二是密封胶条材质不过关,物理性能差,弹性不好,不耐老化,胶条规格型号不符合图纸要求,因此达不到密封效果;三是滑撑、执手等五金配件质量低劣,有的配件安装位置偏差大,密封胶条下料长度不够,安装后胶条收缩,造成开启部分密封失灵;四是设计上未考虑扇上避水构造,雨水直接进入防水胶条上,如滴水檐、泄水孔等细部设计;五是个别细部处理不到位,如框扇外露的螺钉孔洞和较大的拼接缝隙未进行密封处理,从而成为漏水通道。
4)单元式板块幕墙漏水。单元式板块幕墙是通过单元组件间对插完成接缝,其气密、水密性能相对于用填缝处理的幕墙来说要差,压力差是形成接缝渗漏的主要原因。
总而言之,产生雨水渗漏的原因比较复杂,有自身原因,也有其他单位施工部位引起的渗水(如土建混凝土施工质量、女儿墙处理不当、墙洞渗水、屋面防水施工质量差、幕墙清洗单位清洗时不注意保护)。
3.外观质量问题原因分析
1)现场安装时,龙骨框架调整不精确,板块安装尺寸误差控制不严,为下一道工序带来了累积误差。
2)打胶工操作水平低,质量意识不强,不按工艺进行,胶缝周围未清洁,质量控制不严,造成胶缝外观质量差。
3)原材料本身质量不高,未严格执行原材料分承包方评审制度,未实施有效的分包评审或评审滞后;材料采购后质量跟踪不到位,进货检验把关不严,将幕墙饰面板材色差明显、变形量超标的材料放行,进入到工程施工现场,造成这种质量问题的发生。
4)成品半成品保护不到位是造成幕墙饰面外观质量不高的主要原因之一。有的无包装工艺要求,无搬运、储存、堆放、运输等操作规程和质量控制程序,施工现场无成品、及产品的保护措施和要求。这些环节的失控最终表现在幕墙饰面受污染、变色,有划伤、凹坑、刮痕、变形等质量缺陷。
通过以上分析,最终原因有以下几方面:
一是员工质量意识不高是根本原因。有的工程项目部,从项目经理到施工人员没有精品意识,质量意识不强,认为差不多就行了,在进度与质量产生矛盾时,质量意识不够坚定,往往不顾质量而只顾进度;二是不按照工艺施工,不按图纸施工,不按照规范标准施工,是幕墙质量问题产生的直接原因;三是过程控制不严是重要原因。幕墙的生产流程由设计、采购、加工制作、安装和服务等环节组成。幕墙工程的质量控制应是全公司、全过程、全指标和全员参与的质量控制,只有以上环节都得到良好的控制,才能建造出一个个优质工程、精品工程。
 
十二、钢屋盖事故
钢结构支撑的屋盖事故,不含索结构、预应力钢结构及其他结构支撑的屋顶事故。首先是钢屋盖承重构件是由薄壁、细长杆件组成,截面形状复杂,节点应力集中,且又有偏心。其次是屋盖结构的计算和载荷计算简图较正确(与实际值较接近),屋架经常在接近计算极限状态条件下工作,屋盖系统承载能力安全储备小。所以屋盖承重构件对超载。温度和腐蚀作用十分敏感,容易因偶然因素而失稳或破坏。再加上制造、安装和使用中出现的各种质量问题,使钢结构屋盖成为钢结构破坏最严重的构件之一。
1.钢屋盖事故类型
1)桁架杆件弯曲;
2)桁架杆件局部弯曲;
3)屋架垂直偏差;
4)桁架节点板弯曲;
5)桁架节点板开裂;
6)屋架支座节点连接损坏;
7)屋架挠度超标准;
8)屋盖支撑弯曲;
9)屋盖倒塌。
屋架是屋盖中的主要结构,其最普遍的损坏形式是杆件弯曲和杆件局部弯曲,个别情况弯曲值达100m,并超过杆件长度的1/50。表1是前苏联对20个冶金厂66个车间有不同程度破坏的770榀屋架所作的分析。而损坏最多的杆件是屋架腹杆(表2),其中以受压腹杆最为危险,它的弯曲频数比受拉腹杆高出3倍。在一般屋架中约有70%的受压腹杆存在弯曲,平均弯曲矢高为1015mm,个别达110mm。其中以跨中附近的柔性腹杆破坏最频。上弦杆损坏情况最少。这是由于上弦杆有足够大的断面,与屋盖构件和支撑有较好的连接。
      770榀屋架中不同形式损坏百分比        1
破坏类型
1
2
3
4
5
6
破坏百分比(%
81.8
7.7
4.2
0.3
0.3
5.8
 
屋架中各种杆件弯曲损坏情况         2
 
受压上弦杆件
受拉下弦杆件
受压腹杆
受拉腹杆
总计
屋架平面内(%
0.5
4.4
7.0
3.9
15.8
屋架平面外(%
1.6
12.7
52.0
17.9
84.2
 
2钢屋盖事故原因分析
屋盖中屋架和托架是主要构件,其薄弱环节是长细比大的受压腹杆、屋架与柱连接节点、端部受拉斜椽和天窗斜撑。制作和安装中弯曲原因:
1)构件几何尺寸超过允许偏差.由于矫正不够焊接变形、运输及安装中受弯,使杆件有初弯曲,引起杆件内力变化;
2)屋架或托架节点构造处理不当,形成应力集中;檩条错位或节点偏心;
3)腹杆端部与弦杆距离不符合要求,使节点板工作恶化,出现裂缝;
4)桁架杆件尤其是受压杆件漏放连接垫板,造成杆件过早丧失稳定;
5)桁架拼接节点质量低劣,焊缝不足,安装焊接不符合质量要求;
6)任意改变钢材要求,便用强度低的钢材或减小杆件设计截面;
7)桁架支座固定不正确,与计算简图不符,引起杆件附加应力;
8)违反屋面板安装顺序;屋面板搁置面积不够;漏焊;
9)忽视屋盖支撑系统作用,支撑薄弱,有的支撑弯曲;
10)屋面施工违反设计要求,任意增加面层厚度,使屋盖重量增加。
3.使用中的原因
1)屋面超载,尤其是某些工厂不定期清扫屋面积灰,使屋面上超载,发生事故;
2)没经预先设计而在非节点处悬挂管道或重物,引起杆力变化;
3)使用过程中的高温作用和腐蚀作用,影响屋盖承载能力;
4)重级工作吊车运行频繁,产生对屋架的周期性作用,造成屋盖损伤破坏;
5)使用中切割或去掉屋盖中杆件等。
除了上述损坏事故原因外,设计中考虑不周或错误,也是屋盖产生事故的原因。设计上的原因有屋盖结构设计方案不合理、支撑考虑不周、计算简图不符实际、荷载错误、计算和图纸出错等。
 
十三、空间钢网架结构屋顶事故
网架和网壳结构的适用性、美观性、可靠性、安全性和经济性已为人所公认,因而它得到了广泛的应用和迅猛的发展。特别是网架结构屋顶的应用,我国不论在规模上还是数量上都居干世界的领先地位。但是,随着网架大量应用的同时,也发生了一些大小不同的事故。据不完全统汁,自然灾害、意外事故者较少,而大多数事故是责任事故,设计、制作、运输、安装和管理等方面都曾发生过,使国家的财产和人的生命遭受了不少损失。但这些事故并未受到应有的重视,从中吸取教训,引以为戒,因而事故不时重复发生,如表3所示。

                                              网架结构工程事故事例                                   
工程名称
结构型式
结构尺寸(m
发生的时间及情况
事故的主要原因
北京某化工厂的厂房
  正放抽空四角锥螺栓球节点网架
  1万㎡柱网18×18
  1983年倒塌
  支承处漏焊,造成受力不对称
山西某矿区通讯楼
  棋盘形四角锥焊接球网架
  13×18
  19866月在大雨后突然倒塌
  设计有严重错误,超载,焊接质量很差,腹杆失稳
  郑州国际展览中心
  正放四角锥螺栓球节点网架
2×45×45
  1993年初施工时网架下沉约6㎝,严重破坏
  焊接质量太差,3根下统杆在钢管与锥头连接处断裂
  深圳国际展览中心4号展厅
  四点支承的四角锥螺栓球节点网架
  21.9×27.7
  199297日网架塌落,螺栓断裂
  大雨后屋面积水,严重超载,屋面排水系统有严重缺陷
某煤矿简仓顶盖
  球面钢—钢混凝土组合网壳
  直径31.4
跨度31.4
  19931022日下午网壳顶部塌陷
  未保证网壳在施工阶段的刚度、稳定性,局部堆积混凝土太多
  东胜市东乔玻化厂一车间
  正放四角锥焊接球网架
  20.36
  暴雨后,1994517日夜突然塌落
  误用几根40Mn钢管,屋盖超载,部分焊缝质量差
  哈尔滨市瞭来水三厂净水车间
  正放四角锥焊接球节点网架
  45.6×45.6
  199494日整体起吊时网架坠地,死亡3
  绞磨主轴扭新,刹车装置失灵
  天津地毡进出口公司仓库
  正放四角锥螺栓球节点网架
  48×72
  1995124日在通过阶段验收后塌落,死1人,伤13
  采用的简化计算方法与网架的实际不符,螺栓假拧紧,腹杆失稳
  唐山机车车辆厂客车总装厂房
  正放抽空四角锥板节点网架
  面积16000㎡,
柱网18×18
  19845月有5个钢立柱发生焊缝开裂,局部失稳
  柱脚构造复杂,零件加工及焊缝有严重缺陷,温度应力影响
  陕西省体育馆
  两向正交正放网架
  60×90长八边形
  19846月发生火灾,2根腹杆弯曲
  火烧范围在长跨端头两个开间,最高温度700~800℃
  咸阳体育馆
  螺栓球节点网架
  45×45
  在屋面板安装完后部分弦杆的连接焊缝开裂
  采用的CO2气体保护焊焊缝未焊透
  新疆乌恰县影剧院
  螺栓球节点网架
  24×27
  1985823日该县发生7.4级地震
  地震灾害使台口上支点处上统杆弯曲,部分下统杆松动、脱落
  山东淄博某供销大厦
  两向正交正放网架
  29.7×33.88
  1994年在铺设屋面板时大量腹杆挠曲,一柱端拉裂
  计算假定与实际不符,压杆长细比过大,屋顶实际做法超载
  太原某汽车修理车间
  攫板裂网架
  24×54
  在铺设钢筋混凝土屋面板过程中大量腹杆弯曲
  该网架为几何可变体系,设计与施工中未采取措施
  湖南莱阳电厂干煤棚
  落地式双层正放四角锥柱面网壳
  跨度72  长度120
  19941112日采取滑移法施工时一些支座向外滑动
  过早地割除了施工用的临时拉杆,最大位移0.9m,网壳严重破坏
  某油库3万㎡油罐顶盖
单层球面网壳
  直径46
  在高约20m的罐体内满堂红脚手架发生扭转倾倒
  脚手架搭设失误
 

十四、轻钢结构屋顶事故
轻钢结构是目前十分流行的结构体系,在国内外得到了广泛的应用。何为轻钢结构,目前学术界没有确切的定义,但有以下共识:
一是用钢量小;二是冷弯薄壁型钢以及H型钢做承重体系;三是采用型钢复合板等轻质墙板做维护结构。值得一提的是.在轻钢结构广泛应用的同时,尚存在下列问题:①承重结构与维护结构耐久年限不协调;②是防火、防腐问题重视不够;③是低价竞争已严重影响到工程质量。
国内近年来轻钢结构事故频繁发生,事故的特点主要表现为风载下的轻屋面破坏以及雪载下的轻钢承重结构局部及整体失稳,甚至整体倒塌。
例如:199699日~20日,广东省湛江地区先后遭受了两次多年未遇的强台风袭击,强度均超过12级,市内风速达57m/s,最强风分别持续1h以上,大量的建筑物受到严重破坏,经济财产损失巨大。一家具城的钢桁架屋盖被全部吹垮。凡属轻型屋面者,轻型屋面板均被强凤局部或全部掀翻。如某一体育馆的四点支承的网(5025㎡)轻型屋面(木檩条、50mm自熄泡沫、18mm木夹板、1mm铝板、防水卷材)及玻璃幕墙均受到了严重破坏;另一体育场挑棚网架(约l00㎡)的V形彩板屋面被局部揭顶;一体育场挑棚网架(约600㎡)的V125彩板屋面被全部揭顶;还有一歌厅网架(约600㎡)的75mm夹芯板屋面被全部掀翻。
因大雪倒塌的轻钢工程有:
1.营口海龙仓储库。该工程建于19977月,建筑面积8200㎡,彩板拱结构跨度 33.5m,矢高 6.7m,板厚为1.3mm,在2001 1月最寒冷,落雪最多时候塌落,其原因是半跨雪荷载引起局部失稳
2.西丰县鹿城市场。该工程采用大跨度压型钢板拱形结构,建于1999年,建筑面积14200㎡,彩板拱结构跨度27.2m,矢高5.44m,板厚1.2mm。在20011月最寒冷,落雪最多的时候塌落,原因同上。
3.鞍山某集团饲料公司库房。该工程采用MIC-240型薄壁褶皱拱形彩钢屋顶,库房共5栋,总建筑面积15311㎡,19959月建成,跨度2530m,矢高7.35m6.6m19961231日夜至199711日上午,鞍山地区出现暴风雪,市区降雪平均厚度260mm,为1962年以来最大的一场雪,伴有56级西北风。该屋顶塌落的原因是暴凤雪造成局部屈曲,从而引起整体失稳
 
十五、结构的可靠性鉴定
1.概述
结构的可靠性是指结构在规定的时间内,在规定的条件下,完成预定功能的能力。所谓规定时间,是指设计所假定的结构使用时间,即设计基准期。按《建筑结构设计统一标准》,建筑结构设计的基准期一般为50年。所谓规定条件,是指正常设计、正常施工、正常使用等条件。所谓预定功能,是指结构的安全性、适用性、耐久性。安全性是指建筑结构在规定的条件下应能承受可能出现的各种作用,以及遇到偶然事件应能保持必要的整体稳定性。这里所指的作用包括荷载及外加变形或外加约束作用。适用性是指建筑结构在正常使用时,应能满足正常的使用要求,如不能有过大的变形或裂缝等。耐久性是指建筑结构在正常使用下和正常维护下材料性能随时间推移而变化,但仍应满足预定功能的要求。如在基准期内,结构材料的锈蚀或其他腐蚀均不应超过规定的限值。
结构的可靠性是结构的安全性、适用性、耐久性的总称。建筑结构在规定的正常使用条件下,在规定的基准使用期内,如果其安全性、适用性和耐久性均能得到满足,就意味着这个结构是可靠的。
我国规定设计基准期为50年,是指在50年内能保持要求的可靠概率,而为计算这个可靠概率所依据的各随机变量的统计参数,也是以这个基准期来统计的时间范围。超过50年则可靠概率会降低,但不等于马上报废。所以设计基准期50年不是建筑物的报废期限,也不是建筑物的寿命。
建筑结构物的检测和可靠性鉴定的目的,是通过科学分析并利用检测手段,按结构设计规范和相应标准要求,评估其继续使用的寿命。结构可靠性鉴定的基本方法主要有经验法、实用鉴定法和可靠度鉴定法。
2.鉴定目的、内客及步骤
鉴定的目的:
1)检测结构的质量,说明结构的可靠性;
2)判断旧结构的实际承载能力,为改建扩建工程提供依据;
3)找出事故的原因,作为今后的教训和借鉴;
4)处理工程事故,提供技术依据。
鉴定的内容和步骤
初步调查包含以下内容:
l)原设计图和竣工图、改造设计图、事故处理报告、竣工验收文件和检查观测记录等;
2)施工情况;
3)使用情况;
4)根据已有资料与实物进行初步核对、检查和分析;
5)填写初步调查表,表格格式应符合有关规范要求;
6)制定详细调查什划。确定必要的实测、试验和分析等的工作大纲。
详细检查:
幕墙、屋顶结构所用的结构材料强度高,用其所制成的结构构件薄、细、长、柔,设计所用应力高,连接构造及其传递的应力大;另外,结构对局部应力、残余应力、几何偏差、裂缝,腐蚀、振动。撞击效应等敏感,对强度、稳定、疲劳、连接都有着不可忽视的影响。所以,结构检查是十分重要的,要精心分析和判断结构构件上的有关反应。
3.鉴定评级
构件的可靠性鉴定评级包括承载能力(含构造和连接)、变形、偏差三个子项。这里承载能力是主要子项,根据其受作用的特征可以是强度、稳定性、疲劳,也可以是连接。一般是根据结构上的作用效应和抗力(材质参数、几何参数和结构理论模式)的关系进行验算分析从而评定其等级的。也可以直接进行荷载试验检验。对已建结构的试验检验,一般不能进行到破坏,所以看不出安全储备量。另外在试验方案、荷载作用模拟、结构的反应控制等方面均应仔细拟定计划,并做好可能发生意外情况的防护措施和对策。
构件的项目评定等级分为ABCD四级,按承载能力(包括构造和连接)、变形、偏差三个子项评定等级,并以承载能力(包括构造和连接)为主确定该项目的评定等级:
1)当变形、偏差比承载能力(包括构造和连接)相差不大于一级时,以承载能力(包括构造和连接)的等级作为该项目的评定等级;
2)当变形。偏差比承载能力(包括构造和连接)低二级时,按承载能力(包括构造和连接)的等级降低一级作为该项目的评定等级;
3)遇到其他情况时,可根据上述原则综合判断,评定等级。

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