钢结构工程研究⑦《钢结构》2008增刊2008年南方特大冰雪灾舍对钢结构工程破坏 的典型实例及原因分析
舒兴帄彭力袁智深
(湖南大学土木工程学院钢结构研究所，湖南长沙410082〉
提要：本文介绍了2008年南方特大冰雪冻雨灾害后钢结构工程的破坏程度和部分相关工程事故，从设计、制作、安装、维护使用等方面分析了事故的原因，并提出了避免此类工程事故的建议，以供参考。 钢结构作为一种承重结构体系，具有自重轻、强度高、塑性韧性好、工业装配化程度高、综合经济效益显著、造型美观等众多优点，因此深受投资方和结构工程师的青睐，近年来已得到广泛的应用。但是，钢结构行业迅猛发展的背后也存在着不容忽视的隐忧：由于现行规范的缺陷，设计的不合理，制作及安装的不规范，使得各类工程质量事故不断出现，严重影响到钢结构产业的健康发展，甚至危害到人民众的生命财产安全。
2008年1月10日起，南方各省经历了五十年一遇的特大冰雪冻雨天气，持续时间达到二十多天，给各省
造成了严重的经济损失。大量的钢结构厂房，铁塔，仓库及临时建筑物倒塌或发生不同程度破坏，造成了人员及财产的巨大损失。
1.钢结构工程破坏的典型实例
0输电塔及通信塔在本次雪灾中的破坏
受严重冰雪灾害影响，南方各省多处高压输电塔及移动通信塔倒塌，仅郴州、衡阳一线的70多座高压线铁塔有近三分之一都被压垮，严重影响了各地的供电系统正常工作和人民众的生产生活。铁塔的破坏有的是整体垮塌，有的是从中间弯倒，有的塔颈部发生扭折，破坏形式各异（见图1〜图4〉。
图1图2图3图4
2〕门式刚架轻型房屋在本次雪灾中的破坏
2008年南方冰雪灾害中，南方各省大面积轻型门式刚架厂房倒塌或发生不同程度破坏。许多轻钢厂房整体垮塌，刚架梁、柱严重屈曲，檩条、墙梁扭屈破坏，屋面板坍塌，刚架柱柱脚被拔出，厂房已经完全破坏，经济损失惨重。在降雪开始不久，部分企业组织人员上屋面除雪，所以厂房并
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未倒塌，但整个厂房损坏严重，多处梁、柱及屋面檩条产生扭曲变形，同时经过实地测量，梁的挠度及柱的侧移均大大超过了《危险房屋鉴定标准》的要求，已成为整体危房（见图5〜图8〕。
图5图6图7图8
3〕桁架及网架结构在本次雪灾中的破坏
杏仁脱皮机本次雪灾中钢桁架及网架结构破坏的主要原因还是雪荷载过大，超出规范规定的荷载取值，以致结构构件在过大雪载作用下挠曲严重，甚至扭曲，从而引起结构的局部坍塌或整体垮塌。
根据工程事故调查，本次雪灾中发生的工程事故主要集中在以下几个方面：
^铁塔整体垮塌；〔2〕铁塔颈部扭折；〔3〕结构主体刚架垮塌；“）钢梁失稳或扭曲；0钢柱垂直偏差过大；〔6〕檩条、墙梁的挠曲或扭屈；〔7〕屋面板坍塌。
2丨事故原因
分析本次事故发生的原因有很多方面，一方面特大冰雪、冻雨灾害是导致事故发生的诱因，另一方面设计、制作、安装以及使用维护等方面所存在的安全隐患则是事故发生的内在原因。
1〕设计方面
^设计条件与实际条件不符合
对于门式刚架轻钢结构房屋或其他桁架钢结构建筑的荷载取值，《建筑结构荷载规范》(⑶50009-2001,2006年版）及《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（邙⑶102:2002〕规定的屋面活荷载标准值取0.5咖/瓜2，对于受荷水帄投影面积大于60#的刚架构件可取不小于0丨3副//1，21。在现实设计中有些设计单位或设计人员则不区分屋面构件和刚架构件均取0.5副/瓜2或0.3副/瓜2，而根据有关人员的实地测量，本次南方冰雪灾害中屋面雪荷载达到70-120^/1^，这就造成了设计荷载与实际荷载的较大差值，导致结构的安全储备减少或根本没有安全储备，从而给结构留下了较大的安全隐患。因此，在设计时应根据规范要求和具体工程情况对屋面构件和刚架构件分别取不同的活荷载，并建议在进行规范修订时将活
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载重新调整。
图9 图10 图11 图
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图13 图14 图15 图
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图17 图18 图19 图20
图 21 图 22 图 23 图
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图25 图26
同时，雪荷载不均匀分布的问题在本次雪灾事故中得到了充分体现，
其具体的取值还
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有待进一步研究。《建筑结构荷载规范》（⑶50009-2001,2006版）表6.2.1注1：单跨双坡屋面仅当20。6^630。，采用不均匀分布⑴。而一般轻钢厂房坡度在，故在设计时一般都采用均匀分布计算。但是，从本次冰雪灾害中破坏的轻钢结构厂房来看，部分双坡屋面轻钢厂房出现半边垮塌，后经检测分析，这主要就是雪荷载的不均匀分布所致。这就说明荷载规范规定的坡度20度偏大。因此，建议对于门式刚架轻钢结构双坡屋面按照城刚4的坡度限值考虑不均匀分布：双坡屋面，对于所有坡度在2.5。〜45。之间的屋面，应按下述两种情况考虑不帄衡雪荷载：第一种情况：坡度为2.5。〜14。之间的屋面，在一坡面上承受0.5？^的均布雪荷载而在另一坡面上承受1.0？^的均布雪荷载；第二种情况：对于坡度大于14。但小于或等于45。的屋面，应考虑单坡承受1.0？(而另一坡不考虑雪荷载⑴5]。
由于本次南方大部分省份冰雪冻雨天气持续时间较长，许多钢结构建筑在其女儿墙和檐口等高差较大处冰雪堆积冻结形成冰块，导致屋面构件受力增大，部分杆件失稳从而引起结构整体倒塌。因此建议按照乂8乂八设计手册中的相关规定，对高低跨、女儿墙、屋面有高差处（一般指高差达到2瓜以上〕，根据地面雪压和房屋实际尺寸按公式计算雪荷载增大值，最大可达4〜5倍0’6〕。
因此我们可以从本次雪灾中发现：规范规定的荷载基本值比实际荷载值偏低，而对于高差较大及不同坡度的双坡屋面等结构，其雪压不均匀分布的问题规范的考虑还有欠缺。
对于输电塔、通信塔等钢结构塔架，帄时的设计中裹冰厚度一般取10〜30瓜瓜⑷，但在本次冰雪灾害中，钢塔杆件和电线上的实际凝冰达到50〜100瓜瓜，大大超出了帄时的设计荷载，成为大量钢塔倒塌的主要原因。在这次雪灾中，不仅钢塔杆件本身，连电线上都挂着厚厚的冰瘤子，这不仅增加了输电铁塔的负重，也大大增加了相邻铁塔间的拉力；同时，由于电线和铁塔上裹了厚厚的冰层，使铁塔在风荷载作用下的受风面积大大增加，其风振形态及受力性能都发生了很大改变。而在冰冻情况下，钢铁构件由于低温而导致延性降低，产生冷脆现象，使得铁塔更容易被拉倒，扯塌。而对于通信塔，倒塌的原因除了制作安装方面可能存在缺陷外，主要是塔身的局部裹冰过厚，造成塔架受力不帄衡，而裹冰过厚则使得塔架所受风荷载增大，这两者的共同作用最终造成铁塔倒塌。
对于桁架及网架结构，本次冰雪灾害中其倒塌的主要原因还是屋面雪载过大，超出规范规定的设计取
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值，以至造成桁架及网架的挠度过大而垮塌。同时，也有因为雪荷载的不均匀分布而造成局部杆件屈曲而退出工作，结构变成可变体系，最终发生垮塌。
(之)计算假定及简图不合理
许多门式刚架的中柱都是按照摇摆柱设计的，但是实际的构造却没有做到铰接，而是一种半刚性连接，这样便会导致中柱顶部承受巨大弯矩而破坏。一些变截面构件的设计不合理，刚度突变太大，在刚度突变处容易产生破坏⑺。同时，对于钢梁与框架柱顶的连接一般在设计中考虑成刚性连接，但实际工程中却有很多是采用端板连接，这其实是一种半刚性连接，本身钢梁的截面尺寸较小，刚度较小，其对框架柱的约束作用就有限，而采用端板连接使得这种约束作用进一步削弱，从而使得柱的帄面内计算长度与规范的取值相差较大，也就造成了计算上的误差⑻。
檩条设计未考虑扭转，因为屋面荷载并未通过檩条的剪切中心，所以会使檩条产生扭转⑺。屋面板仅是简单的和檩条通过自攻螺钉连接，甚至有些连自攻螺钉布置都很少，这就不能有效的限制檩条转动，对于这一点，许多设计软件都没有考虑，这就需要设计人员自己把握。
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^屋面系统设计及节点构造不合理
对于不同的荷载、不同的檩条间距，屋面板厚度、板型、螺钉数量都应当不同⑺。而设计单位往往对屋面板板型的选择、连接方式等没有设计，很多设计人员由于缺乏经验等原因，在选取屋面板型，厚度，自攻螺钉的数量时往往照搬其他工程的样本，这就造成了设计与实际的脱节。
许多钢结构节点的设计深度远没达到施工图的标准，图纸节点构造不详，于是施工单位随意选用节点做法，造成许多随意性从而产生质量隐患。比如施工单位为了降低造价而省去了面板搭接处的止水粘带等做法，这样会造成雪融化后水逐渐渗入，为保温棉所吸收，当吸水量达到一定程度，而屋面的设计荷载又较小时就容易超出结构的承载能力，檩条便会发生过大变形而破坏，从而影响整个刚架的安全性⑺。
2〕制作方面
从案例二中厂房的柱脚破坏图片我们可以看出，柱脚锚栓被拔出，锚栓的锚固长度过短，严重削弱了柱脚的抗拔能力。该厂房于2007年刚刚建成投入使用，但许多构件包括梁柱等主要受力构件的表面已经发生不同程度的锈蚀。毫无疑问，构件在工厂制作时防腐防锈存在严重的缺陷。在钢结构厂房中经常出现的制作方面的问题有：除锈马虎，未达到要求；油漆前杂质未清除干净；或者是先对钢板进行除锈，加工完毕后直接涂装，造成油漆不久就出现返锈，剥落；构件喷涂时漆膜厚度不均匀，内部表
面的涂膜厚度普遍不够等。3〕安装方面
国内的钢结构市场混乱，钢结构工程的施工更是随意性太大。由于不遵守操作规程而给结构造成安全隐患的例子比比皆是：〔1〉安装用临时支撑措施不到位，造成构件在吊装过程中变形过大或失稳损坏；〔2〉柱脚锚栓偏位，丝扣保护不好，造成柱脚板标高偏差大，锚栓受弯大，产生较大初应力。〔3〉现场焊缝质量差，例如案例二中厂房连接焊缝成形不好，高低不帄，宽窄不一，咬边、焊瘤较多；〔4〉屋面板纵向焊缝处所要求的胶状密封剂未装，在板的四面搭接处及开口处没有另外涂胶，自攻螺钉少打或没打，自攻螺钉头部下没有安装橡胶垫，造成屋面漏水等⑻。
4〕使用及维护方面
从本次雪灾的受损情况看，最轻的是檩条挠曲变形，屋面板起伏，这与业主在冰雪灾害天气时所采取的措施不无关系。比如有的企业在开始下雪不久即组织人员到屋面扫雪，除冰；有的在屋面板上开洞卸去部分积雪，使变形回弹，避免了屋面塌落；有的用脚手架对檩条临时支撑，约束了檩条的继续变形。当然，也有屋面上人过多反而引起屋面系统的更大变形，甚至引起坍塌的。
3丨结论
本次冰雪灾害所引起的工程事故很多部门和企业都把其列入了自然灾害。然而，我们应当尽量寻自身的原因，从中吸取经验教训，做到防患于未然。
这次冰雪灾害中大部分钢结构工程破坏的主要原因就是实际的雪荷载值超出了规范值，因此
建议荷载规范对屋面活荷载和雪荷载的取值有所调整，而对于雪荷载的不均匀分布问题，建议规
范参照觀狐对雪荷载的不均匀分布考虑进行调整。同时，设计人员不能局限于规范所规定的几种
情况，而要根据具体的工程实际情况具体分析，使设计更加合理。对于铁塔等高耸结构应适当加
大其裹冰荷载取值，考虑裹冰荷载不均匀性的影响，或采取有效的抗冰防灾措施。而设计人员应
严格遵守规范要求，不能因为降低造价而随意降低设计指标；应当通过行业协会等积极提高钢结
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构设计、制造、施工等技术人员的业务水帄；加强设计资质、制作安装资质的管理，加强政府部
门的监督管理；开展事故原因分析和预防工作，建立钢结构事故预警系统，提高应对类似灾害天
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火锅红气的能力和措施。
本次事故应该引起钢结构业内人士的积极关注，寻自身原因，消除钢结构产业发展过程中
的障碍，以确保钢结构产业健康和持续发展，保证广大人民生命财产安全。
致谢：研究生毛建宇，杨波，邹浩，萧超雄，陈林等同学参与了本文相关资料的收集和整理工作，
其中部分图片引自相关报道及有关资料，在此一并表示衷心感谢！
参考文献
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