某門式剛架柱腳強迫移位事故的鑒定與處理

劉明寶，馬 萍，張 鵬

（1.山東建筑大學(xué)，山東 濟南 250101；2.山東建固特種專業(yè)工程有限公司，山東 濟南 250000；3.山東建筑大學(xué)鑒定檢測中心有限公司，山東 濟南 250000）

0 引言

某廠房門式剛架剛接柱腳在爆炸力作用下發(fā)生了強迫移位，論文介紹了事故檢測鑒定情況，分析事故對結(jié)構(gòu)的影響，并根據(jù)剛架受力特點提出了事故處理方案，柱腳移位處理后按實測數(shù)據(jù)進行驗證分析，該處理方案取得了較好的效果。

1 工程概況及事故基本情況

某廠房采用門式剛架結(jié)構(gòu)，建筑東西長 145.28 m，南北寬 121.08 m，建筑總高度 12.6 m。該建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為 7 度（0.10g），設(shè)計地震分組為第二組，建筑場地類別為 II 類，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為 50 年。

該工程采用獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)沿縱向設(shè)置地基梁，混凝土設(shè)計強度等級為 C30，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級，地基處理采用強夯法，局部中風(fēng)化巖區(qū)域爆破至基坑下 20 cm，采用級配砂石回填。該車間門式剛架為五連跨，每跨均為 24 m，柱腳剛接，剛架梁、柱均采用焊接 H 型鋼，車間內(nèi)每跨均設(shè)兩臺 10 t 電動單梁吊車，工作制級別為 A3，吊車梁采用焊接 H 型鋼。主鋼構(gòu)材質(zhì)為 Q345B，支撐及屋面檁條等次結(jié)構(gòu)為 Q235B，主結(jié)構(gòu)連接螺栓采用 10.9 級摩擦型連接高強度螺栓。

該廠房主體結(jié)構(gòu)完工后，對廠區(qū)內(nèi)高出設(shè)計標高的巖石進行爆破，爆破產(chǎn)生的爆炸地震及碎石對廠房局部主體造成了損壞，爆炸力造成基礎(chǔ)移位，部分構(gòu)件及連接節(jié)點損傷。

2 調(diào)查與檢測鑒定

2.1 破壞情況調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，該廠房于 2019 年 3 月完成鋼結(jié)構(gòu)施工，2019 年 4 月初，該建筑物南側(cè)（19～20 軸間）附近進行道路爆破施工，爆破點距建筑物約 20 m，爆破位置如圖 1 所示，結(jié)構(gòu)內(nèi)景如圖 2 所示。經(jīng)現(xiàn)場查勘確定，爆炸力影響范圍為 18～19 軸交 A～D 軸區(qū)域，爆炸力造成的現(xiàn)場破壞情況如表 1 及圖 3～圖 8所示。

表1 現(xiàn)場破壞情況匯總

圖1 爆炸位置示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)內(nèi)景

圖3 地基梁開裂破壞、鋼筋屈服

圖4 地基梁開裂破壞

圖5 混凝土柱頭開裂破壞

圖6 焊縫開裂

圖7 支撐屈服

圖8 檁條扭曲變形

2.2 變形檢測

現(xiàn)場采用全站儀對 A 軸交 18～20 軸鋼柱和 20 軸交 B～D 軸鋼柱進行變形測量，測得 A 軸交 19 軸柱腳及基礎(chǔ)向北側(cè)移位 16 cm，鋼柱垂直度為 1/66；A 軸交 20 軸柱腳及基礎(chǔ)向北側(cè)移位 9 cm，鋼柱垂直度為 1/102。GB 50205－2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》附錄 E 規(guī)定，單層鋼柱柱腳中心線偏移允許偏差 5 mm，鋼柱垂直度允許偏差 1/1 000，以上數(shù)值均遠超過規(guī)范限值。測得 20 軸交 B 軸鋼柱柱腳向北移位 3 cm，鋼柱最大側(cè)向彎曲 7 cm，發(fā)生在 2.8 m 標高局部夾層處。

2.3 構(gòu)件截面檢測

本工程門式剛架結(jié)構(gòu)均采用焊接 H 型鋼制作，鋼柱為等截面，鋼梁采用變截面；基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)?，F(xiàn)場采用游標卡尺、測厚儀及鋼尺對剛架截面尺寸及基礎(chǔ)尺寸進行檢測，所檢構(gòu)件截面尺寸能夠滿足設(shè)計文件要求。

2.4 節(jié)點構(gòu)造檢查

經(jīng)核對，剛架梁柱節(jié)點、柱腳節(jié)點做法與設(shè)計相符，門式剛架梁柱連接節(jié)點構(gòu)造無異常，未見明顯變形、開裂等現(xiàn)象。

2.5 吊車梁系統(tǒng)檢查

對吊車梁與鋼柱連接節(jié)點、吊車梁間的連接節(jié)點進行檢查，未見開裂變形現(xiàn)象。對吊車梁外觀進行檢查，未發(fā)現(xiàn)扭曲變形等異?，F(xiàn)象。

2.6 結(jié)構(gòu)計算分析

爆炸時能量釋放的時間很短，判斷爆炸力引起的鋼柱移位屬于彈性變形還是塑性變形是困難的，為確保安全，假設(shè)基礎(chǔ)移位使鋼柱發(fā)生的變形包含塑性變形和彈性變形兩部分，為了給后續(xù)處理提供依據(jù)，對門式鋼架結(jié)構(gòu)進行缺陷狀態(tài)下的承載力分析十分必要?；A(chǔ)移位后，剛架柱產(chǎn)生的強迫內(nèi)力，鋼柱彎曲引起的鋼柱受壓偏心，均對剛架承載力有不利影響，針對不同處理方式設(shè)置了兩種受力工況對剛架結(jié)構(gòu)進行包絡(luò)分析：第一種產(chǎn)生基礎(chǔ)移位處鋼柱不采取措施，按現(xiàn)狀對剛架結(jié)構(gòu)進行計算分析，此時假設(shè)所有柱腳移位均為彈性變形；第二種產(chǎn)生基礎(chǔ)移位處鋼柱采取措施釋放強迫內(nèi)力，對剛架結(jié)構(gòu)進行基于彎曲缺陷條件下的計算分析，此時假設(shè)柱腳移位均為塑性變形。

1）產(chǎn)生基礎(chǔ)移位處鋼柱不采取措施，按現(xiàn)狀對剛架結(jié)構(gòu)進行計算分析?，F(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn) 19/（A～B）軸地梁發(fā)生破壞現(xiàn)象，考慮混凝土地梁的剛度較大，認為 19/A、19/B 柱基礎(chǔ)偏移量相等，均取 19/A 軸柱基礎(chǔ)偏移量實際檢測值 16 cm。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn) 20/（A～B）軸地梁在 B 軸端發(fā)生破壞現(xiàn)象，結(jié)合現(xiàn)場，20/A 軸柱鋼柱偏移量取實際檢測值 9 cm，20/B 軸鋼柱位移量取實際檢測值 3 cm。

根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)進行建模計算，計算過程中對鋼柱柱腳按假定條件進行強迫位移，計算結(jié)果顯示鋼柱內(nèi)強迫內(nèi)力較大，鋼柱應(yīng)力比最大值＞3.0，強迫應(yīng)力將導(dǎo)致 19/A、19/B、20/A、20/B 軸鋼柱及鋼柱基礎(chǔ)承載力不足，門式剛架結(jié)構(gòu)屬于高承載力低延性結(jié)構(gòu)，對額外增加的強迫內(nèi)力很敏感，故應(yīng)采取措施釋放鋼柱內(nèi)強迫應(yīng)力。

2）產(chǎn)生基礎(chǔ)移位處鋼柱采取措施釋放強迫內(nèi)力，對剛架結(jié)構(gòu)進行基于彎曲缺陷條件下的計算分析?？紤]鋼柱已產(chǎn)生塑性變形，強迫內(nèi)力釋放后鋼柱無法恢復(fù)原狀，鋼柱偏心對結(jié)構(gòu)承載力會造成一定影響，故按現(xiàn)狀偏心缺陷情況進行建模計算，偏心數(shù)值偏安全的取柱腳實際移位檢測值。

①荷載條件：抗震設(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計基本地震加速度值為 0.10g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類，鋼架抗震等級為四級。

基本風(fēng)壓 0.45 kN/m2，地面粗糙程度類別：B 類。

基本雪壓 0.35 kN/m2。

設(shè)計采用的均布活荷載標準值按原設(shè)計：活荷載標準值不上人屋面 0.3 kN/m2，檁條 0.5 kN/m2。

設(shè)計采用的吊車荷載：A 3 級電動單梁吊車，Sn=22.5 m，Gn=10 T，最大寬度：3 500 mm，大車輪距 3 000 mm，最大輪壓 82 kN，最小輪壓 7 kN。

②材料：剛架 Q345B；混凝土 C30。

③計算程序：中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所研發(fā)的 PKPM 結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（2010 版 V4.2）。

④計算結(jié)果：經(jīng)復(fù)核，產(chǎn)生基礎(chǔ)移位處鋼柱采取措施釋放強迫內(nèi)力后，考慮鋼柱偏心缺陷情況下 19/A、19/B、20/A 軸鋼柱應(yīng)力比最大值為 0.93＜1.0，滿足規(guī)范安全性要求。

3）綜合以上兩種工況計算可知，保持現(xiàn)狀時，剛架結(jié)構(gòu)不能確定保證正常使用期間的安全性；無強迫內(nèi)力情況下，鋼柱對柱中心線的偏心按 16 cm 進行驗算，剛架承載力滿足規(guī)范要求，也就是說釋放柱腳約束后，即使柱腳完全沒有回彈，剛架結(jié)構(gòu)也能滿足規(guī)范安全性要求［1-3］。

2.7 鑒定結(jié)果

1）經(jīng)調(diào)查及檢測鑒定，爆破對建筑物的影響范圍為 18～19 軸交 A～D 區(qū)域，為局部破壞。

2）爆炸力造成部分基礎(chǔ)和柱腳移位遠超規(guī)范限值，經(jīng)計算分析，影響結(jié)構(gòu)承載力，應(yīng)采取處理措施；爆炸力造成的地基梁開裂、基礎(chǔ)短柱柱頭破壞、框架梁柱連接焊縫開裂等均對結(jié)構(gòu)安全有不利影響，為消除安全隱患，應(yīng)該采取整改或加固措施。

3）構(gòu)件截面尺寸符合設(shè)計；剛架連接節(jié)點構(gòu)造符合設(shè)計要求，剛架連接節(jié)點構(gòu)造無異常，未見明顯變形、開裂等現(xiàn)象；吊車梁構(gòu)件及連接未見開裂變形等異?，F(xiàn)象。

3 事故處理

3.1 一般性問題處理

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在保證安全的前提下，選擇易于實施的措施，對一般性問題處理如下。①開裂的地基梁：破碎地基梁混凝土，重新澆筑，混凝土強度等級應(yīng)提高一個標號；②柱間支撐彎曲：進行更換；③焊縫開裂：按照鋼 GB 50661－2011《結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的要求進行返修焊接；④抗風(fēng)柱彎曲：考慮更換抗風(fēng)柱需拆除整個墻面系統(tǒng)，工作難度大，采取增加支撐的方式進行加固，提高抗風(fēng)柱的整體穩(wěn)定性。

3.2 鋼柱、基礎(chǔ)移位的處理

爆炸造成的破壞中，鋼柱、基礎(chǔ)移位的處理是關(guān)鍵問題。本工程基礎(chǔ)未遭受破壞，應(yīng)盡可能予以保留。根據(jù)初步分析，對基礎(chǔ)、鋼柱移位提出了三種處理方案：采用基礎(chǔ)頂推平移的方法平移復(fù)位；維持現(xiàn)狀；釋放柱腳約束，重新固定。三種方案實施的前提都必須保證結(jié)構(gòu)安全性。

當(dāng)采用頂推平移法時，需要制作反力裝置，現(xiàn)場室內(nèi)一側(cè)是回填土，土質(zhì)松軟，實施存在困難。其次平移復(fù)位至原位置時，對鋼柱而言存在復(fù)位過度的問題，鋼柱內(nèi)會產(chǎn)生反向強迫內(nèi)力。綜合分析后，排除此處理方法。

根據(jù)計算分析，保持現(xiàn)狀時，剛架結(jié)構(gòu)不能確定保證正常使用期間的安全性；無強迫內(nèi)力情況下，鋼柱對柱中心線的偏心按 16 cm 進行驗算，剛架承載力滿足規(guī)范要求。綜合分析后，決定對基礎(chǔ)、柱腳移位采取釋放柱腳約束，重新固定的處理措施。

3.2 柱腳移位處理施工工藝

根據(jù)計算假定，柱腳內(nèi)存在強迫內(nèi)力，釋放柱腳約束后，鋼柱存在回彈的可能，因此保證柱腳安全的回彈是處理的關(guān)鍵。根據(jù)工程現(xiàn)場條件，確定如下處理流程：首先柱腳設(shè)置鋼牛腿支撐，牛腿支撐與基礎(chǔ)虛接，保證剛架結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)短柱處理期間的豎向承載能力，同時不影響鋼柱的自由回彈；然后破除短柱混凝土，切掉原有地腳錨栓在柱底板以上的部分，切除作業(yè)應(yīng)逐個進行，使鋼柱回彈分步完成；重新制作地腳錨栓，改為錨板式；增大截面法加固混凝土短柱，最后澆筑短柱混凝土。

3.4 柱腳移位處理情況

柱腳設(shè)置鋼牛腿支撐保護（見圖 9），破除短柱混凝土后，混凝土短柱對鋼柱的約束變小，鋼柱回彈，在回彈力作用下，地腳錨栓發(fā)生明顯變形，向鋼柱移位的反方向傾斜，如圖 10 所示，說明爆破力造成的鋼柱移位后，鋼柱內(nèi)部產(chǎn)生了較大的強迫內(nèi)力。

圖9 柱腳支撐

圖10 柱腳錨栓傾斜

依次切斷全部地腳錨栓后，鋼柱完成回彈，經(jīng)測量，A/19 軸鋼柱回彈量為 8 cm，如圖 11 所示，A/20 軸鋼柱回彈量為 5.5 cm，如圖 12 所示。

圖11 A/19 軸鋼柱回彈

圖12 A/20 軸柱腳回彈

4 驗證分析

爆炸發(fā)生后 A/19 軸鋼柱移位 16 cm，釋放柱腳約束后實測回彈值 8 cm，說明 A/19 軸鋼柱在爆炸力作用下發(fā)生的塑性變形和彈性變形各為 8 cm；同理，A/20 軸鋼柱發(fā)生的塑性變形和彈性變形分別為 3.5 cm、5.5 cm。

按照柱腳釋放后的實測移位數(shù)據(jù)對鋼架進行基于彎曲缺陷條件下的驗證分析，分析爆炸發(fā)生后 A 軸剛架柱實際承載能力。以 19 軸剛架為例，考慮柱腳相對軸線偏心值 8 cm，柱腳強迫移位數(shù)值為 8 cm，其余荷載條件及材料參數(shù)同 2.6 小節(jié) 2）條。

經(jīng)驗算，爆炸發(fā)生后 19 軸剛架中 A/19 軸鋼柱應(yīng)力比最大值為 1.62＞1.0，構(gòu)件承載力不能滿足規(guī)范安全性要求。驗證分析表明，對鋼柱移位的處理是必要的。

5 結(jié)語

該廠房經(jīng)處理后，已投入使用，工作狀態(tài)正常，取得了良好的效果。

1）鋼柱腳解除約束后，發(fā)生了較大回彈，驗證了爆破力造成的變形由塑性變形及彈性變形兩部分組成的假設(shè)是成立的。

2）按照實際柱腳回彈值，若保持現(xiàn)狀，對原結(jié)構(gòu)進行驗證分析，發(fā)現(xiàn)鋼柱承載力不能滿足規(guī)范要求，說明按照放松柱腳約束處理的方式是必要且正確的。

3）事故的處理制約因素多，要進行多方位綜合比較，才能制定安全、易于操作的處理方案。

爆炸力造成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件移位影響因素較多，如爆炸能量、距離、結(jié)構(gòu)體系、土質(zhì)情況、施工質(zhì)量等，事故處理應(yīng)遵循客觀、科學(xué)、嚴謹、細致的原則，本文提供了一種有益的探索。Q