發(fā)布時(shí)間：2018-11-01所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：門(mén)式剛架輕型房屋在我國(guó)工業(yè)廠房中得到廣泛應(yīng)用，近年來(lái)，我國(guó)受雨雪天氣影響較大，門(mén)式剛架輕型房屋受到嚴(yán)重破壞，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。本文針對(duì)一個(gè)工程事故案例結(jié)合有限元軟件MIDAS進(jìn)行建模驗(yàn)算，對(duì)其破壞原因進(jìn)行分析。 關(guān)鍵字：輕鋼結(jié)構(gòu),破壞
摘要：門(mén)式剛架輕型房屋在我國(guó)工業(yè)廠房中得到廣泛應(yīng)用，近年來(lái)，我國(guó)受雨雪天氣影響較大，門(mén)式剛架輕型房屋受到嚴(yán)重破壞，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。本文針對(duì)一個(gè)工程事故案例結(jié)合有限元軟件MIDAS進(jìn)行建模驗(yàn)算，對(duì)其破壞原因進(jìn)行分析。
關(guān)鍵字：輕鋼結(jié)構(gòu),破壞分析,模擬,驗(yàn)算分析,虹吸排水
輕型鋼架結(jié)構(gòu)目前大部分應(yīng)用于民用和工業(yè)建筑中，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般考慮的荷載包括活荷載、雪荷載和風(fēng)荷載[1]，對(duì)于雨水荷載不考慮，采取排水解決，并不作為設(shè)計(jì)荷載，但是在實(shí)際工程中也常常出現(xiàn)因暴雨導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的事故。本文針對(duì)一個(gè)實(shí)際工程案例，對(duì)其破壞原因進(jìn)行分析。
1工程概況
輕型鋼屋架結(jié)構(gòu)廠房建筑面積為22733.47㎡，建筑層數(shù)為一層(局部二層)。基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)平面布置圖見(jiàn)圖1.1。
屋面系統(tǒng)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(tǒng)，屋面邊緣設(shè)有排水孔，設(shè)計(jì)積水深度達(dá)到85mm時(shí)虹吸系統(tǒng)才能正常使用。采用直接在柱頂區(qū)域設(shè)排水孔見(jiàn)照片1，屋面坡度為3%，結(jié)構(gòu)變形小于L/180。
2輕型鋼架結(jié)構(gòu)事故破壞描述由于暴雨天氣，導(dǎo)致某輕型鋼架結(jié)構(gòu)局部發(fā)生倒塌破壞。
其中S-P/10-13區(qū)域內(nèi)鋼架發(fā)生失穩(wěn)變形和屋面破損。
3結(jié)構(gòu)模擬及破壞原因分析
3.1結(jié)構(gòu)模擬
(1)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS對(duì)輕型鋼架結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算分析，在考慮最不利荷載組合工況下，針對(duì)屋面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的區(qū)域進(jìn)行建模分析，按照現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行驗(yàn)算，著重評(píng)估關(guān)鍵構(gòu)件、部位的承載能力現(xiàn)狀，并分析屋面雨水量對(duì)原結(jié)構(gòu)承載力的影響[3]。其中主鋼架結(jié)構(gòu)采用空間梁?jiǎn)卧M，主鋼架間系桿采用桁架單元模擬[4]。
(2)結(jié)構(gòu)變形情況
在最不利標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下，結(jié)構(gòu)的豎向變形云圖，見(jiàn)圖3.1。在最不利標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下，結(jié)構(gòu)的豎向變形=134mm<35000/180=194mm，滿足《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB51022-2015)規(guī)定[5]。
(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)力比驗(yàn)算
在最不利設(shè)計(jì)荷載工況組合下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比云圖，見(jiàn)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(yīng)力比大于1.0外，結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)桿件的最大應(yīng)比力均小于1.0，因此結(jié)構(gòu)承載力基本滿足《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB51022-2015)的要求。
(4)屋面雨水量對(duì)剛架結(jié)構(gòu)的作用分析
為了分析屋面雨水量對(duì)剛架結(jié)構(gòu)的作用，以找出結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)屋面危險(xiǎn)區(qū)域的最大積水量，在(1.0恒+1.0活)標(biāo)準(zhǔn)荷載工況組合下，利用程序多次迭代試算，反算出當(dāng)屋面危險(xiǎn)區(qū)域的雨水量達(dá)到0.8kN/m2時(shí)(相當(dāng)于屋面危險(xiǎn)區(qū)域的積水深度達(dá)80mm)，屋面雨水量(臨界值)作用下剛架結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力比如圖3.3。實(shí)際屋面破壞區(qū)域相對(duì)應(yīng)位置處的模型桿件發(fā)生破壞，見(jiàn)圖3.4(如圖上紅色圖框內(nèi)所示桿件)。
(5)計(jì)算結(jié)論
1)根據(jù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析結(jié)果顯示，按原設(shè)計(jì)最不利荷載組合下，結(jié)構(gòu)承載力和變形基本滿足《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB51022-2015)要求;
2)根據(jù)計(jì)算分析，由于瞬時(shí)暴雨影響，當(dāng)屋面積水高度達(dá)到80mm時(shí)，即相當(dāng)于荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.8kN/m2時(shí)，剛架結(jié)構(gòu)因局部活荷載作用驟增超過(guò)其極限承載能力，進(jìn)而引發(fā)局部屋面及剛架結(jié)構(gòu)的破壞[6]-[7]。
3.2結(jié)構(gòu)破壞原因分析
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果、設(shè)計(jì)圖紙、氣象資料和結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果等分析，該區(qū)域破壞的直接原因是在暴雨期間，屋面局部積(匯)水量超過(guò)結(jié)構(gòu)承載能力所致，結(jié)構(gòu)局部過(guò)大變形破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的屋面局部積(匯)水平均深度達(dá)80mm以上;造成屋面局部積(匯)水量過(guò)大的原因分析如下：
(1)屋面無(wú)排水天溝，按照《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，為避免降雨時(shí)排水不暢引起超載和屋面積水引起滲漏，內(nèi)排水一般采用設(shè)置排水天溝匯集雨水的方法進(jìn)行排水。因屋面未做排水天溝，導(dǎo)致排水管區(qū)域沒(méi)有有效的匯水區(qū)，排水效率明顯降低，致使雨水很難有序匯集并通過(guò)虹吸排水口快速排出，實(shí)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(tǒng)在屋面產(chǎn)生大面積積水后才能發(fā)揮作用;
(2)屋面坡度平緩，按照《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，為保證排水順暢和屋面不產(chǎn)生積水，防止屋面漏水，對(duì)該廠房結(jié)構(gòu)類型的屋面坡度規(guī)定為：“門(mén)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(qū)宜取其中的較大值”。本廠房設(shè)計(jì)圖紙要求為5%以上，但屋面結(jié)構(gòu)在自重作用下產(chǎn)生的下?lián)献冃魏桶惭b偏差等導(dǎo)致排水坡度不足3%，小于設(shè)計(jì)要求;變形的不均勻性容易形成局部下?lián)霞熬植康姆e(匯)水現(xiàn)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(shí)強(qiáng)降雨量過(guò)大，本廠房屋面平緩，在短時(shí)強(qiáng)降雨量大、風(fēng)作用和突出屋面天窗阻擋下，局部屋面的降水短時(shí)流動(dòng)方向紊亂，容易形成局部較大的積(匯)水量，導(dǎo)致局部超載。每排設(shè)6個(gè)排水口，根據(jù)虹吸排水原理，當(dāng)積水深度超過(guò)水頭高度時(shí)，可形成虹吸效應(yīng)。但是在6個(gè)排水口不能同時(shí)達(dá)到或超過(guò)水頭高度時(shí)，即不能形成虹吸效應(yīng)，因空氣進(jìn)入排水孔而大大降低排水效率。使屋面積水過(guò)多，屋面荷載增大，造成屋面發(fā)生變形，雨水繼續(xù)積累，最終造成屋面及鋼梁的變形破壞。
4結(jié)論及建議
結(jié)構(gòu)破壞原因主要為屋面排水系統(tǒng)未設(shè)天溝，且屋面坡度過(guò)小，虹吸排水系統(tǒng)不能發(fā)揮作用，導(dǎo)致屋面短時(shí)局部積水嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)屋面設(shè)計(jì)及施工應(yīng)著重考慮以下幾點(diǎn)：
(1)對(duì)于此類輕鋼結(jié)構(gòu)屋面應(yīng)設(shè)排水溝，且屋面坡度應(yīng)控制在5%以上。避免雨水不能及時(shí)排走造成雨水瞬時(shí)積累過(guò)多，屋面荷載瞬時(shí)增大，超出屋面的承載能力，造成結(jié)構(gòu)的破壞。
(2)由于雨水荷載不作為設(shè)計(jì)荷載考慮，但是對(duì)于采用虹吸排水的屋面，應(yīng)充分考慮在虹吸條件形成前的積水荷載對(duì)結(jié)構(gòu)安全的影響。
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