摘要：门式刚架轻型房屋在我国工业厂房中得到广泛应用，近年来，我国受雨雪天气影响较大，门式刚架轻型房屋受到严重破坏，给国民经济造成巨大损失。本文针对一个工程事故案例结合有限元软件MIDAS进行建模验算，对其破坏原因进行分析。
关键字：轻钢结构,破坏分析,模拟,验算分析,虹吸排水
轻型钢架结构目前大部分应用于民用和工业建筑中，在结构设计中，一般考虑的荷载包括活荷载、雪荷载和风荷载[1]，对于雨水荷载不考虑，采取排水解决，并不作为设计荷载，但是在实际工程中也常常出现因暴雨导致结构破坏的事故。本文针对一个实际工程案例，对其破坏原因进行分析。
1工程概况
轻型钢屋架结构厂房建筑面积为22733.47㎡，建筑层数为一层(局部二层)。基础为独立基础，设计使用年限为50年。钢柱截面尺寸为400*300*8*14、500*300*8*14、600*350*10*16，钢梁截面尺寸为850*300*12*16、850*350*12*20、850*650*12*20、350*180*6*10，厂房结构平面布置图见图1.1。
屋面系统为压型钢板与檩条，屋面防水采用TOP防水卷材，排水采用虹吸排水系统，屋面边缘设有排水孔，设计积水深度达到85mm时虹吸系统才能正常使用。采用直接在柱顶区域设排水孔见照片1，屋面坡度为3%，结构变形小于L/180。
2轻型钢架结构事故破坏描述由于暴雨天气，导致某轻型钢架结构局部发生倒塌破坏。
其中S-P/10-13区域内钢架发生失稳变形和屋面破损。
3结构模拟及破坏原因分析
3.1结构模拟
(1)结构计算分析
运用有限元分析软件MIDAS对轻型钢架结构进行验算分析，在考虑最不利荷载组合工况下，针对屋面结构发生破坏的区域进行建模分析，按照现行设计规范要求进行验算，着重评估关键构件、部位的承载能力现状，并分析屋面雨水量对原结构承载力的影响[3]。其中主钢架结构采用空间梁单元模拟，主钢架间系杆采用桁架单元模拟[4]。
(2)结构变形情况
在最不利标准荷载组合下，结构的竖向变形云图，见图3.1。在最不利标准荷载组合下，结构的竖向变形=134mm<35000/180=194mm，满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB51022-2015)规定[5]。
(3)结构应力比验算
在最不利设计荷载工况组合下，结构的应力比云图，见图3.2。在最不利荷载组合工况组合下，除5根局部杆件(如上图b中红色杆件所示)应力比大于1.0外，结构绝大多数杆件的最大应比力均小于1.0，因此结构承载力基本满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB51022-2015)的要求。
(4)屋面雨水量对刚架结构的作用分析
为了分析屋面雨水量对刚架结构的作用，以找出结构发生破坏时屋面危险区域的最大积水量，在(1.0恒+1.0活)标准荷载工况组合下，利用程序多次迭代试算，反算出当屋面危险区域的雨水量达到0.8kN/m2时(相当于屋面危险区域的积水深度达80mm)，屋面雨水量(临界值)作用下刚架结构的整体应力比如图3.3。实际屋面破坏区域相对应位置处的模型杆件发生破坏，见图3.4(如图上红色图框内所示杆件)。
(5)计算结论
1)根据结构验算分析结果显示，按原设计最不利荷载组合下，结构承载力和变形基本满足《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》(GB51022-2015)要求;
2)根据计算分析，由于瞬时暴雨影响，当屋面积水高度达到80mm时，即相当于荷载标准值0.8kN/m2时，刚架结构因局部活荷载作用骤增超过其极限承载能力，进而引发局部屋面及刚架结构的破坏[6]-[7]。
3.2结构破坏原因分析
根据现场检查结果、设计图纸、气象资料和结构计算结果等分析，该区域破坏的直接原因是在暴雨期间，屋面局部积(汇)水量超过结构承载能力所致，结构局部过大变形破坏时对应的屋面局部积(汇)水平均深度达80mm以上;造成屋面局部积(汇)水量过大的原因分析如下：
(1)屋面无排水天沟，按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》规定，为避免降雨时排水不畅引起超载和屋面积水引起渗漏，内排水一般采用设置排水天沟汇集雨水的方法进行排水。因屋面未做排水天沟，导致排水管区域没有有效的汇水区，排水效率明显降低，致使雨水很难有序汇集并通过虹吸排水口快速排出，实际雨水斗形成虹吸作用的斗前水深基本与屋面积水深度相同，虹吸排水系统在屋面产生大面积积水后才能发挥作用;
(2)屋面坡度平缓，按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》规定，为保证排水顺畅和屋面不产生积水，防止屋面漏水，对该厂房结构类型的屋面坡度规定为：“门式刚架轻型房屋的屋面坡度宜取1/8~1/20，在雨水较多的地区宜取其中的较大值”。本厂房设计图纸要求为5%以上，但屋面结构在自重作用下产生的下挠变形和安装偏差等导致排水坡度不足3%，小于设计要求;变形的不均匀性容易形成局部下挠及局部的积(汇)水现象，屋面坡度小降低了雨水向排水口汇集的效率，排水速度降低;
(3)短时强降雨量过大，本厂房屋面平缓，在短时强降雨量大、风作用和突出屋面天窗阻挡下，局部屋面的降水短时流动方向紊乱，容易形成局部较大的积(汇)水量，导致局部超载。每排设6个排水口，根据虹吸排水原理，当积水深度超过水头高度时，可形成虹吸效应。但是在6个排水口不能同时达到或超过水头高度时，即不能形成虹吸效应，因空气进入排水孔而大大降低排水效率。使屋面积水过多，屋面荷载增大，造成屋面发生变形，雨水继续积累，最终造成屋面及钢梁的变形破坏。
4结论及建议
结构破坏原因主要为屋面排水系统未设天沟，且屋面坡度过小，虹吸排水系统不能发挥作用，导致屋面短时局部积水严重，结构破坏。对于轻钢结构屋面设计及施工应着重考虑以下几点：
(1)对于此类轻钢结构屋面应设排水沟，且屋面坡度应控制在5%以上。避免雨水不能及时排走造成雨水瞬时积累过多，屋面荷载瞬时增大，超出屋面的承载能力，造成结构的破坏。
(2)由于雨水荷载不作为设计荷载考虑，但是对于采用虹吸排水的屋面，应充分考虑在虹吸条件形成前的积水荷载对结构安全的影响。
参考文献：
[1]王元清,胡宗文,石永久,等.门式刚架轻型房屋钢结构雪灾事故分析与反思[J],土木工程学报,2009,42(3):65-70.
[2]GB/T50621-2010,钢结构现场检测技术标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.
[3]GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S],北京:中国建筑工业出版社,2012.
[4]李天,赵东杰,李月华,等.门式刚架轻钢结构支撑体系的建模及受力分析[J],钢结构,2005,4(20):53-57.
[5]GB51022-2015,门式刚架轻型房屋钢结构技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.
[6]胡宗文,王元清,石永久,等.暴雪后门式刚架轻型房屋钢结构厂房的事故分析与处理[J],工业建筑,2009,39(7):120-123.
[7]霍静思,胡聪伶,杜云星,等.某门式刚架轻钢结构厂房倒塌事故调查与分析[J],自然灾害学报,2010,19(5):146-150.
