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館當時的施工狀態(tài)為：除西側懸挑部分，大面積網架安裝已經完成，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)已經安裝完成，處于自重和屋面恒載受力狀態(tài)。

　　A館當時有兩組工人在同時作業(yè)，一組在建筑物西側吊裝懸挑部分錐體，另一組在更換彎曲桿件。據當事人介紹，一名施工人員在用焊機切割更換一根上弦桿時，網架發(fā)生劇烈晃動，然后中間鋼柱向內傾斜，網架中部出現(xiàn)下陷，隨后由中間沿長度方向向兩邊波及，網架整體落地后，上弦向東側傾倒，整個過程不到一分鐘，另據目擊者描述，網架坍塌過程中，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。

　　經過事故現(xiàn)場進行勘察發(fā)現(xiàn)，網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，很多鋼柱與基礎脫離，南面基礎混凝土發(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狀，桿件彎曲，多處螺栓節(jié)點被剪斷；南北兩端的3層網架基本上整體坍塌，東西兩端的四角錐網架并未發(fā)生倒塌，但部分桿件彎曲變形；北端的鋼柱隨網架一同倒塌，南端的網架與支座脫離。

　　3.3坍塌事故原因分析

　　3.3.1設計原因分析

　　1）平面桁架未設置縱向斜腹桿，結構整體穩(wěn)定性差

　　《網架結構設計與施工規(guī)程》JGJ7-91第2.0.6條建議“平面形狀為矩形，多支點支撐網架，可根據具體情況選用：正方四角錐網架、正放抽空四角錐網架、兩向正交正放網架?！蓖ㄟ^比較可以發(fā)現(xiàn)，該工程所采用的網架結構同傳統(tǒng)的兩向正交正放網架相比，其在四周增設了3層網架和正放四角錐網架，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架，堅持采用桁架結構。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，設計人員遂將受力較小的縱向桁架斜腹桿抽除，以免結構顯得凌亂。在這種情形下導致結構的安全儲備太低。此次因為割斷一根桿件就導致大規(guī)模垮塌事故發(fā)生，也正說明了這一點。

　　設計人員也曾發(fā)現(xiàn)該結構的整體穩(wěn)定系數比較低，但其認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和構件穩(wěn)定來保證結構的整體穩(wěn)定性。蒙皮效應是指維護結構對主體結構的整體加強作用，這種效應可以大大增強結構的空間整體性。但蒙皮效應很難明確地量化，它受很多條件影響，不同的工作情況下，蒙皮的作用效應也不同，工程中一般只將其作為一種結構上的儲備。并不是所有的結構和結構構造在設計時都可以考慮蒙皮效應。目前我國的規(guī)范中只是規(guī)定，當采用不能滑動的連接件連接壓型鋼板及其支撐構件形成屋面或墻面等維護體系時，可在單層房屋設計中考慮蒙皮作用。由于缺乏相應的試驗資料，加上我國的施工企業(yè)良莠不齊，連接構造和工藝不能得到可靠保證，所以在絕大多數設計中只是作為一種剛度儲備，沒有考慮應力的蒙皮效應。

　　可見，結構體系如此設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。交點處的上弦水平系桿被割斷，對結構強度并沒有產生大的影響，主要是對結構的整體穩(wěn)定性影響很大，桿件割斷瞬間產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，這使得結構沒有了抗側力，剛度比較小。

　　2）桁架間未設置交叉支撐

　　要提高結構的整體穩(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)域面積達到126m×60.5m，如此大的區(qū)域卻沒有設置任何的交叉支撐。如果在上下弦各增設幾道水平支撐，將中部的片體桁架分割成若干個小區(qū)域，不僅可以提高結構的穩(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，導致結構整體的連續(xù)性倒塌。

　　3）平面桁架采用螺栓球節(jié)點

　　桁架結構通常都是用鋼管直接相貫焊接而形成相貫節(jié)點，采用螺栓球節(jié)點連接的并不多見，螺栓球節(jié)點一般用于跨度不大的輕型四角錐網架和三角錐網架。該工程如此大跨度的平面桁架，應該采用相貫節(jié)點而非螺栓球節(jié)點，可能只考慮了安裝施工速度快而采用了螺栓球節(jié)點。

　　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，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，對原結構也無任何防護和保護措施，由此引起上弦桿平面外失穩(wěn)而導致連續(xù)坍塌。

　　2）螺栓球存在假擰緊現(xiàn)象

　　當采用手動扳手擰緊時，高強螺栓可能達不到緊密頂緊的程度，所以此種節(jié)點連接的可靠性極大地依賴于安裝質量。

　　3.4坍塌事故警示

　　網架結構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力重分布進行調節(jié)。但此項事故不得不引起人們深思，在追求結構創(chuàng)新、用鋼量最低的同時絕不可以犧牲必要的結構冗余度。

　　可以說，幾乎所有的網架倒塌事故都是冗余度不足造成的。提高結構的冗余度從結構選型、平面布置、構造措施、施工質量等多方面綜合考慮、共同控制，對于關鍵構件要進行重點保護，保證在結構遭受偶然荷載作用時，這些關鍵構件不會立即發(fā)生失效，同時外加荷載可通過其他構件的塑性發(fā)展而重新分布，從而達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。此次事故正是因為該結構冗余度過低，恰恰又是關鍵桿件被毫無防護地抽除，最終導致了網架整體的連續(xù)性垮塌。
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