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摘 要： 摘要：門式剛架輕型房屋在我國工業廠房中得到廣泛應用，近年來，我國受雨雪天氣影響較大，門式剛架輕型房屋受到嚴重破壞，給國民經濟造成巨大損失。本文針對一個工程事故案例結合有限元軟件MIDAS進行建模驗算，對其破壞原因進行分析。 關鍵字：輕鋼結構,破壞
摘要：門式剛架輕型房屋在我國工業廠房中得到廣泛應用，近年來，我國受雨雪天氣影響較大，門式剛架輕型房屋受到嚴重破壞，給國民經濟造成巨大損失。本文針對一個工程事故案例結合有限元軟件MIDAS進行建模驗算，對其破壞原因進行分析。
關鍵字：輕鋼結構,破壞分析,模擬,驗算分析,虹吸排水
輕型鋼架結構目前大部分應用于民用和工業建筑中，在結構設計中，一般考慮的荷載包括活荷載、雪荷載和風荷載[1]，對于雨水荷載不考慮，采取排水解決，并不作為設計荷載，但是在實際工程中也常常出現因暴雨導致結構破壞的事故。本文針對一個實際工程案例，對其破壞原因進行分析。
1工程概況
輕型鋼屋架結構廠房建筑面積為22733.47㎡，建筑層數為一層(局部二層)。基礎為獨立基礎，設計使用年限為50年。鋼柱截面尺寸為400*300*8*14、500*300*8*14、600*350*10*16，鋼梁截面尺寸為850*300*12*16、850*350*12*20、850*650*12*20、350*180*6*10，廠房結構平面布置圖見圖1.1。
屋面系統為壓型鋼板與檁條，屋面防水采用TOP防水卷材，排水采用虹吸排水系統，屋面邊緣設有排水孔，設計積水深度達到85mm時虹吸系統才能正常使用。采用直接在柱頂區域設排水孔見照片1，屋面坡度為3%，結構變形小于L/180。
2輕型鋼架結構事故破壞描述由于暴雨天氣，導致某輕型鋼架結構局部發生倒塌破壞。
其中S-P/10-13區域內鋼架發生失穩變形和屋面破損。
3結構模擬及破壞原因分析
3.1結構模擬
(1)結構計算分析
運用有限元分析軟件MIDAS對輕型鋼架結構進行驗算分析，在考慮最不利荷載組合工況下，針對屋面結構發生破壞的區域進行建模分析，按照現行設計規范要求進行驗算，著重評估關鍵構件、部位的承載能力現狀，并分析屋面雨水量對原結構承載力的影響[3]。其中主鋼架結構采用空間梁單元模擬，主鋼架間系桿采用桁架單元模擬[4]。
(2)結構變形情況
在最不利標準荷載組合下，結構的豎向變形云圖，見圖3.1。在最不利標準荷載組合下，結構的豎向變形=134mm<35000/180=194mm，滿足《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB51022-2015)規定[5]。
(3)結構應力比驗算
在最不利設計荷載工況組合下，結構的應力比云圖，見圖3.2。在最不利荷載組合工況組合下，除5根局部桿件(如上圖b中紅色桿件所示)應力比大于1.0外，結構絕大多數桿件的最大應比力均小于1.0，因此結構承載力基本滿足《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB51022-2015)的要求。
(4)屋面雨水量對剛架結構的作用分析
為了分析屋面雨水量對剛架結構的作用，以找出結構發生破壞時屋面危險區域的最大積水量，在(1.0恒+1.0活)標準荷載工況組合下，利用程序多次迭代試算，反算出當屋面危險區域的雨水量達到0.8kN/m2時(相當于屋面危險區域的積水深度達80mm)，屋面雨水量(臨界值)作用下剛架結構的整體應力比如圖3.3。實際屋面破壞區域相對應位置處的模型桿件發生破壞，見圖3.4(如圖上紅色圖框內所示桿件)。
(5)計算結論
1)根據結構驗算分析結果顯示，按原設計最不利荷載組合下，結構承載力和變形基本滿足《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB51022-2015)要求;
2)根據計算分析，由于瞬時暴雨影響，當屋面積水高度達到80mm時，即相當于荷載標準值0.8kN/m2時，剛架結構因局部活荷載作用驟增超過其極限承載能力，進而引發局部屋面及剛架結構的破壞[6]-[7]。
3.2結構破壞原因分析
根據現場檢查結果、設計圖紙、氣象資料和結構計算結果等分析，該區域破壞的直接原因是在暴雨期間，屋面局部積(匯)水量超過結構承載能力所致，結構局部過大變形破壞時對應的屋面局部積(匯)水平均深度達80mm以上;造成屋面局部積(匯)水量過大的原因分析如下：
(1)屋面無排水天溝，按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》規定，為避免降雨時排水不暢引起超載和屋面積水引起滲漏，內排水一般采用設置排水天溝匯集雨水的方法進行排水。因屋面未做排水天溝，導致排水管區域沒有有效的匯水區，排水效率明顯降低，致使雨水很難有序匯集并通過虹吸排水口快速排出，實際雨水斗形成虹吸作用的斗前水深基本與屋面積水深度相同，虹吸排水系統在屋面產生大面積積水后才能發揮作用;
(2)屋面坡度平緩，按照《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》規定，為保證排水順暢和屋面不產生積水，防止屋面漏水，對該廠房結構類型的屋面坡度規定為：“門式剛架輕型房屋的屋面坡度宜取1/8~1/20，在雨水較多的地區宜取其中的較大值”。本廠房設計圖紙要求為5%以上，但屋面結構在自重作用下產生的下撓變形和安裝偏差等導致排水坡度不足3%，小于設計要求;變形的不均勻性容易形成局部下撓及局部的積(匯)水現象，屋面坡度小降低了雨水向排水口匯集的效率，排水速度降低;
(3)短時強降雨量過大，本廠房屋面平緩，在短時強降雨量大、風作用和突出屋面天窗阻擋下，局部屋面的降水短時流動方向紊亂，容易形成局部較大的積(匯)水量，導致局部超載。每排設6個排水口，根據虹吸排水原理，當積水深度超過水頭高度時，可形成虹吸效應。但是在6個排水口不能同時達到或超過水頭高度時，即不能形成虹吸效應，因空氣進入排水孔而大大降低排水效率。使屋面積水過多，屋面荷載增大，造成屋面發生變形，雨水繼續積累，最終造成屋面及鋼梁的變形破壞。
4結論及建議
結構破壞原因主要為屋面排水系統未設天溝，且屋面坡度過小，虹吸排水系統不能發揮作用，導致屋面短時局部積水嚴重，結構破壞。對于輕鋼結構屋面設計及施工應著重考慮以下幾點：
(1)對于此類輕鋼結構屋面應設排水溝，且屋面坡度應控制在5%以上。避免雨水不能及時排走造成雨水瞬時積累過多，屋面荷載瞬時增大，超出屋面的承載能力，造成結構的破壞。
(2)由于雨水荷載不作為設計荷載考慮，但是對于采用虹吸排水的屋面，應充分考慮在虹吸條件形成前的積水荷載對結構安全的影響。
參考文獻：
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[4]李天,趙東杰,李月華,等.門式剛架輕鋼結構支撐體系的建模及受力分析[J],鋼結構,2005,4(20):53-57.
[5]GB51022-2015,門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2015.
[6]胡宗文,王元清,石永久,等.暴雪后門式剛架輕型房屋鋼結構廠房的事故分析與處理[J],工業建筑,2009,39(7):120-123.
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