某体育馆网壳工程事故分析和检测处理

摘 要：本文结合某市的体育馆网壳施工出现的质量事故，对该体育馆网架的质量事故产生的原因从设计和施工两方面进行了全面分析，重点对安装误差引起杆件内力改变进行了研究，并提出切实可行的静载试验方案和加固处理方案。

关键词：空间网架；节点；安装误差；加固处理

中图分类号：TU113.5 文献标志码：A

The Analysis of Accident and the Method of Reinforcement in

Lager-Span Grid Structure

WANG Bin

(Jiujiang UniversityJingxi Jiujiang332005，China)

Abstract:The paper accentuated the importance of the conceptual design and discussed its contents combined with the project and the notice when the calculation-software of the space grid structure applied in the project. The cause was analyzed overall in the aspects of design and construction，focusing on the analysis of the changes in the bar internal forces created by the fitting error.

Key words: space grid；joint；installation error；reinforcement

大跨空间结构是最近几十年来发展最快的结构形式之一。在大发展的同时，必须看到，无论是国外还是国内，都有曾发生过许多不同类型、原因、程度的事故，造成了重大人员伤亡和经济财产的损失。这些惨痛的教训，已引起了世人的广泛的关注。而通过事故的分析研究，把事故分析的结果公诸于众，作为共同的宝贵财富，开始形成了一门学科，以便正确对待已发生或可能发生的工程破坏事故［1］。本文就以某市的体育馆网壳施工出现的质量事故作为研究对象，通过静载检测结合理论分析对其进行了成功的加固处理， 具体工程分析如下：

1 工程概况

该工程为柱面双层网壳结构，屋面覆盖尺寸为96m×163m，网壳覆盖面积为15677m²。根据土建柱距在结构上沿纵向设了两道变形缝，将整个网壳划分为3个区。1-8轴为C区，9-16轴为B区，17-24轴为A区。土建沿四周设立了600mm×800mm的钢筋混凝土柱作为支点，并在M轴沿纵向又增加了一排中间立柱，使网壳在横向变为由主副两跨组成。主跨跨度为66.5m，副跨跨度为20.5m，在A轴外挑4m，在P轴外挑3.4m。网壳矢高5m，厚度3m，如图示1-1

网架主要结构参数 ：节点数2669，杆件数10152，支 座 数90，荷载工况数4，荷载组合数3。该工程施工从2003年开始，原计划3个月完成，后因种种原因至2005年8月完工。

2 事故现象

施工时采用分区搭设满堂脚手架高空散装法， 2004年5月开始施工， 7月22日安装时发现1-8轴局部网架跨中明显下沉，北边支座略微升高，M轴3根上弦杆压弯。由于满堂脚手架未拆除，由施工方重新顶回网架，继续施工，对此次异常各方未引起足够重视，到8月6日1-8轴安装完成，正在松千斤顶时发生千斤顶滑落，1-8轴网架跨中整体下沉，M轴13根上弦杆严重弯曲，北边支座全部离开柱头半米以上,如图2-1和2-2。工程全面停工进入处理。事故发生后施工方提出了整改方法后，由各方审核认可，前后经过一个月才重新施工，到2005年6月完工［2-5］。

3 检测方法

由于施工过程发生了严重施工事故且施工周期过长，为保证结构安全使用必须进行体育馆网架结构静载检测，主要包括以下内容：

1）检测屋面网架在自重情况下的挠度值；

2）根据设计单位、施工单位确定的检测荷载值，分级施加荷载同时检测网架挠度变化值。并根据网架挠度变化判定网架安全。

检测方案经过反复研究制定如下：

3.1 确定监测点

根据国家标准及规范有关网架挠度测量取点要求，结合该网架结构实际情况，并考虑支柱沉降变形等因素，共设置46个测量点。

3.2 确定检测荷载

根据设计单位的设计说明书及国家有关标准、规范，最初取活荷载0.5kN/m²，乘以系数1.25，检测加载重量为0.625kN/m²。

3.3 确定加载方法

由于检测时网架已经全部完成，脚手架也已经完全拆除，常规加静载方式很难实施。经过仔细分析决定采用在上弦节点球上悬挂直径4mm航空钢丝绳垂到地面，在地面人工绑挂砂袋到航空钢丝绳配重。考虑到加载分级的可行性，推算每只砂袋重量为30kg较合理，扣除悬挂钢丝绳重量，加载砂袋数量与分级加载对应关系如表3-1。

由于计算挂点达1000多个，为保证检测正常实施，事先选挂三点做了悬挂加载实验，实验证明该方式确实可行。

3.4 确定加载步骤

根据设计图纸及网架结构，为方便测量，从东到西网架划分为A区、B区、C区（详见图2.1），从东到西分区加载，即A区网架第1级加载完成后再加载B区网架第1级荷载，再加载C区网架第1级荷载；第2级加载又从A区网架开始，再到B区、C区，依此类推。每区网架单独加载顺序为：先加载跨度为20.5m的副跨，再加载主跨，主跨加载时从南北两头同时加载到中间。

4 检测数据分析

检测前，要求施工方提供了网架有关竣工资料，从资料反映关键的一些材料检测报告为正规检测机构出具，但有些现场自检的数据不完整，特别是自重下的挠度值未测。为此，只能以实际完成的变形曲线做参考值，测量发现8轴跨中点变形已经达到241mm，超过设计允许最大值210mm，将C区作为重点。按检测方案，进行到第二级加载，即0.2kN/m²时发现1-8轴区在7和8轴靠近中柱的两根下弦杆出现明显弯曲，9-24轴也有杆件微弯。为保证安全，在C区第三级加载改为0.05kN/m²，A，B区按原检测方案进行。并选择在上午加载，加载后一小时立即观测。发现A，B区挠度值的变化符合线性，每0.1kN/m²引起11mm的变化。但C区挠度值的变化C出现异常，一、二级每0.1kN/m²引起11mm的变化，第三级加载改为0.05kN/m²后也引起11mm的变化，且1-8轴区在7和8轴靠近中柱的两根下弦杆出现弯曲加剧，反映结构已经不宜再加载了，为此当即决定卸载，并由施工单位负责整改，加固。检测结果的数据反映网架三个区表现出不同的力学性能。A、B两区实际受力与设计结果较符合，但C区明显结构刚度不足，无法满足设计要求，必须对工程进行加强处理［6-7］。

5 质量问题原因分析

5.1 原设计内力分析

原设计网架结构为空间铰接杆系结构体系，设计选用了北京云光建筑设计咨询开发中心开发的SFCAD（微机版），设计计算可靠,通过国家认定。对SFCAD2002的计算书主要数据分析后确定内力值的大小与分布规律正常。但现有的网架结构软件优化设计研究中，往往是针对确定性情况下的优化设计，通常将工程实际中大量存在的不确定性因素和模糊因素忽略不计；而实际本工程中大量不确定性因素恰恰起到不可忽略的作用，导致一些杆件内力变化超出设计预想。为从理论上做进一步分析论证，笔者重新设计了一个与C区类似网壳，主要控制数据如下：投影面积:4567.5 m²，节点类型:螺栓球，杆件总数:3000，节点总数791。特使用另一种设计软件MST2005-Space Truss Structures CAD，分两种受力状态进行计算。先按理论设计曲线计算,计算出杆件内力图一。再改变工况，在计算模型中D区域将网壳顶点下降20CM，其余点相应下调，其他工况不变，按新模型计算内力图对以上杆件内力对比可以发现，网壳曲线在一定范围内变化对其杆件内力影响不是很大，同时计算显示其影响有一定区域范围，对远离偏差的杆件力基本无影响。从而更进一步说明主要问题还是施工造成原杆件有残余应力为主要原因，曲线变形为次要原因。结果确定从设计概念选型，计算方法，荷载选择，内力分析上综合分析，该工程设计无重大缺陷。可以在设计上将问题排除，应该集中在施工中寻找事故原因。

5.2 施工过程分析

施工单位在施工前未上报此工程的详细施工方案，仅仅写了常规的网架施工方案，设计监理均未仔细审查，现场管理机构也不健全。2004年5月底选择满堂脚手架高空散装法开始施工，6月15日完成1-3轴脚手架，6月7日开始在高空进行网架拼装， 7月22日安装时发现1-8轴局部网架跨中明显下沉，北边支座略微升高，M轴3根上弦杆压弯。由于满堂脚手架未拆除，对此次事故各方未引起足够重视，由施工方重新顶回网架，继续施工。到8月6日1-8轴安装完成，正在松千斤顶1-8轴网巾跨中整体下沉，M轴13根上弦杆严重弯曲，北边支座全部离开柱头半米以上。工程全面停工进入处理。经过现场事故调查和询问现场施工人员，分析主要原因由于支撑较少，且不牢固，支座处未及时固定，使网架实际杆件受力与设计不符合，弯曲杆件处于内力转换部位，截面小，产生压曲。类似事故在同一工程两次发生， 由于1-8轴发生的施工事故，使得C区实际完成曲线与设计不符合，且部分杆件已经有初始应力存在。从原设计图可分析的部分杆件受拉力或较小压力，不应发生压屈。但检测实际反映出该杆件受力状态都发生了明显变化［8］。

6 加固处理对策

分析原因主要为网壳实际成型曲线与设计有较大差异、C区由于发生了施工事故杆件有残余应力使得处理更加复杂。处理主要由设计进行复算，并根据检测结果曲线和设计经验重新调整设计，计算内力找出超应力杆件进行更换。详细如表4.1更换杆件共计40根，其中包括由于施工不当在网架完成时已经弯曲的杆件。考虑网架和施工安全，施工单位选派专业人员直接在高空逐个更换，每天更换6-7根。

7 加固处理效果

加固后再按原检测方案重新检测,检测效果良好，实际变形显著降低，符合线形变化，满足设计要求。再对检测数据仔细分析可以看出，在更换了40根杆件后，网架的受力性能得到了显著提高，虽然局部点的累计变形值超过了规范和设计要求，但是其主要原因还是原始安装误差大造成的。对于每一级荷载而言，结构的变形非常均匀，且小于设计计算出的变形值，最后卸载后结构残余变形也小，表现出结构完全在弹性变形中，结构安全是可靠的，证明加固处理是成功的。

结论：通过对工程事故原因分析，得出事故产生主要原因在于施工过程未按设计要求施工、支撑用满堂脚手架搭设未进行专项设计、无法提供可靠支撑。受力后内力转换处的杆件由于设计截面过小而压屈破坏，整个结构内力重新分布，出现了设计未考虑的工况，局部结构变形在重新顶回后也无法完全恢复，用常规验收手段无法对其做出合格判定。同时提示设计上要充分考虑施工的水平，可能发生的问题，对内力转换处的杆件要适当提高安全系数，增大设计截面，这样在实际增加结构用钢量的很少的情况下就可以大大提高结构的安全性。针对以上特殊情况，论文提出了通过静载试验的来判定本工程结构安全的方法。由于工程完成后施工方过早拆除了满堂脚手架，常规静载试验方案无法实施。在综合考虑技术可行、经济方便等因素的情况下本文提出了采用在上弦节点悬挂沙袋加荷载的方法，并通过试验证明该方法经济可行，给事故处理、判定提供了充分依据。也为对类似有缺陷的网架工程验收提供了一种经济可靠的方法。

参考文献

［1］ 沈祖炎．钢结构学［M］．北京：中国建筑工业出版社，2000.

［2］Ramm E．Strategies for tracing the nonlinear response near limit points［J］．nonlinear finite elementanalysis in structural mechanics．1994.

［3］ Acrisfield M．An arc-length method including line searches and accelerations［J］．composite structures．1983(8)：12-15.

［4］程 柯．现役网架结构杆件特性的分析与测试［D］．浙江：浙江大学图书馆，2005.

［5］张毅刚．大跨空间结构 (第一版)．北京：机械工业出版社, 2005.

［6］丁芸孙，朱坊云．十年来大跨度机库网架结构的应用与发展［C］．空间结构学术会议编委会．第六届空间结构学术会议论文集．北京：地震出版社，1992. 63-70.

［7］刘锡良．十年来中国网架结构的发展［C］．空间结构学术会议编委会．第六届空间结构学术会议论文集．北京：地震出版社，1992． 42-46.

［8］雷宏刚. 钢结构事故分析与处理（第一版）［M］. 北京：中国建材工业出版社，2003． 2-12.