暴雨导致某厂房轻钢屋面局部坍塌事故分析

王会杰 程 前 罗小盼

(河南省诚建检验检测技术股份有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

钢结构采用压型钢板等轻型屋面材料，可以大幅度降低结构自重，节约钢材，在工业厂房建筑中被广泛应用[1-3]。由于钢屋面承重构件由薄壁、细长杆件组成，屋盖系统承载能力安装储备较小。屋盖承重系统对超载、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普遍的构件之一，造成严重的经济损失[4-6]。本文针对某厂房轻钢屋面坍塌进行了现场调研及检验检测，给出了事故原因的分析，为以后工程设计提供参考，避免类似事故发生。

1 工程概况

某厂区内一轻钢屋面厂房，采用钢筋混凝土柱、实腹式钢梁排架结构，如图1所示。五联跨单脊双坡屋面，柱距9 m，共13榀，轴线尺寸：108 m(长)×114 m(宽)，檐口高度10.8 m，女儿墙高度1 m，屋面坡度3%，单坡长度57 m。钢梁均采用Q345级钢。屋面为不上人压型钢板复合保温卷材防水屋面，采用Z形钢连续檩条(Z250×70×20×1.8,Q345)，局部安装屋面风机位置采用C形钢简支檩条(C280×70×20×3.0，Q345)，檩条间距1.5 m。该厂房建成投入使用4年后，夏季一次暴雨过程中出现屋面局部坍塌事故，坍塌部位为9-10/B-C轴间屋面，如图2所示。其中掉落3根檩条，9-10/A-B轴间屋面檩条严重扭曲变形，相邻柱间檩条也有不同程度扭曲变形，事故现场如图3所示。

2 现场调查及分析

通过调查，该工程屋面存在局部檩条搭接处螺栓松动、变形、螺栓缺失，檩条连接节点处螺栓普遍锈蚀等现象。现场屋面坍塌部位周围屋面檩条均发生不同程度扭曲变形，檩托上还保留有断裂的檩条安装螺栓。两根C形钢简支檩条有严重的挠曲变形，并从檩托上完全脱落，位置如图4所示。简支檩条破坏时，支座处檩条腹板扭转变形。

工程屋面排水为女儿墙内天沟有组织外排水系统，天沟尺寸为宽650 mm×深300 mm；雨水管为直径200 mm的UPVC管，布置间距9 m，沿最外侧柱布置。经计算分析该屋面排水系统满足设计规范要求。

根据设计规范要求[7,8]，按照当地基本风压0.45 kN/m2，基本雪压0.45 kN/m2，屋面恒荷载0.45 kN/m2，屋面活荷载0.3 kN/m2(用于刚架)，屋面活荷载0.5 kN/m2(用于檩条)，对屋面结构进行承载力复核验算，设计工况荷载下屋面结构承载力满足规范要求。通过现场取样并对试样进行力学性能试验，分析试验结果推定现场所用屋面檩条材质与设计图纸相符合，现场所用屋面檩条连接螺栓硬度满足相关标准要求。

通过调查，坍塌事故发在暴雨时，屋面坍塌处存在严重积水现象。对檩条在屋面积水荷载工况下进行承载力计算，发现在积水荷载作用下，屋面Z形钢连续檩条的截面强度达到强度设计值，同时檩条计算挠度超过设计规范允许值，檩条发生较大挠曲变形。屋面挠曲变形随即又被屋面积水填充，使屋面局部积水荷载继续增加，对屋面结构安全更加不利。

调查发现，坍塌位置掉落的2根简支C形钢檩条与檩托的连接方式为：C形钢檩条的下翼缘及腹板切割30 mm高度，再将檩条腹板与檩托采用4.8级M12普通螺栓安装连接，连接节点构造做法如图5所示。

Z形钢连续檩条支座连接节点如图6所示，屋面破坏时，9-10/A-B轴间Z形钢连续檩条发生较大弯曲变形，檩条严重扭曲，但并未从连接节点处完全破坏；而9-10/B-D轴间的C形钢简支檩条，发生较大弯曲变形，连接节点处的腹板扭转变形，从连接节点处破坏，连接螺栓剪断，导致檩条及其上的压型钢板屋面板脱落掉下。

3 坍塌原因

根据收集到的资料及现场检测结果，分析原因如下：

1)本工程屋面为双坡屋面，屋面坡度3%，屋面单坡排水长度57 m。因屋面单坡排水长度长，屋面坡度小，若雨水管发生堵塞现象，排水不及时，容易造成屋面雨水在女儿墙天沟内积聚。经调查了解，屋面坍塌前雨水口存在堵塞现象。因当天瞬时降雨强度较大，屋面雨水管堵塞，雨水排水不畅，造成屋面雨水积聚。坍塌事故发在暴雨时，屋面坍塌处存在严重积水现象。

2)坍塌部位为9-10/B-C轴间屋面，其中掉落3根檩条，2根简支C形钢檩条及其附近1根Z形钢连续檩条。其中简支C形钢檩条在屋面荷载作用下，连接节点处的檩条腹板很薄，支座处容易发生檩条扭转变形及受压曲屈，会使靠近檩条上翼缘的连接螺栓处于很不利的受力状态，螺栓受力较大，发生剪断破坏，导致简支C形钢檩条及其上的压型钢板屋面板脱落掉下。

3)综合上述勘察、检测及验算结果，大雨中瞬时集中降雨过大，雨水口排水不畅，屋面积水是造成该工程9-10/A-D轴间屋面发生局部坍塌的主要原因。

4 结语

1)此次屋面局部坍塌的主要原因为瞬时集中降雨过大时，雨水口堵塞、排水不畅，屋面积水导致檩条严重挠曲变形及平面失稳；

2)本项目简支C形钢檩条的安装方式，削弱了支座处檩条的刚度，对檩条受力不利，不建议采用支座处切割C形钢檩条翼缘及腹板达到统一屋面压型钢板安装高度的方法；

3)为增强钢结构厂房使用安全性，延长钢结构的使用寿命，建议加强钢结构厂房的维护保养工作。