3.2坍塌事故概况

　　某年某月某时，A馆作业时突然倒塌。A馆当时的施工状态为：除西侧悬挑部分，大面积网架安装已经完成，形成受力体系，屋面系统尚未安装，处于自重受力状态。其它3个馆屋面系统已经安装完成，处于自重和屋面恒载受力状态。

　　A馆当时有两组工人在同时作业，一组在建筑物西侧吊装悬挑部分锥体，另一组在更换弯曲杆件。据当事人介绍，一名施工人员在用焊机切割更换一根上弦杆时，网架发生剧烈晃动，然后中间钢柱向内倾斜，网架中部出现下陷，随后由中间沿长度方向向两边波及，网架整体落地后，上弦向东侧倾倒，整个过程不到一分钟，另据目击者描述，网架坍塌过程中，纵向中部有两根杆件相继出现“下摆“现象，疑似为下弦杆。

　　经过事故现场进行勘察发现，网架坍塌部位主要集中在平面桁架部分；南北两端的柱大部分发生倾斜，很多钢柱与基础脱离，南面基础混凝土发生不同程度脆裂，部分柱锚被拉断；中间的平面桁架呈现由西向东多米诺骨牌式的跌倒状，杆件弯曲，多处螺栓节点被剪断；南北两端的3层网架基本上整体坍塌，东西两端的四角锥网架并未发生倒塌，但部分杆件弯曲变形；北端的钢柱随网架一同倒塌，南端的网架与支座脱离。

　　3.3坍塌事故原因分析

　　3.3.1设计原因分析

　　1）平面桁架未设置纵向斜腹杆，结构整体稳定性差

　　《网架结构设计与施工规程》JGJ7-91第2.0.6条建议“平面形状为矩形，多支点支撑网架，可根据具体情况选用：正方四角锥网架、正放抽空四角锥网架、两向正交正放网架。”通过比较可以发现，该工程所采用的网架结构同传统的两向正交正放网架相比，其在四周增设了3层网架和正放四角锥网架，且中间的平面桁架又抽除了纵向斜腹杆，横向桁架间仅在上、下弦平面和整体稳定性都发生了很大变化。由于追求建筑上简洁、通透的效果，建筑师反对使用正放四角锥网架，坚持采用桁架结构。同时，由于建筑通透感的要求，再加上部分夹角过小，螺栓不好配，设计人员遂将受力较小的纵向桁架斜腹杆抽除，以免结构显得凌乱。在这种情形下导致结构的安全储备太低。此次因为割断一根杆件就导致大规模垮塌事故发生，也正说明了这一点。

　　设计人员也曾发现该结构的整体稳定系数比较低，但其认为可能是荷载加的比较大的缘故，可以通过屋面板的蒙皮效应和构件稳定来保证结构的整体稳定性。蒙皮效应是指维护结构对主体结构的整体加强作用，这种效应可以大大增强结构的空间整体性。但蒙皮效应很难明确地量化，它受很多条件影响，不同的工作情况下，蒙皮的作用效应也不同，工程中一般只将其作为一种结构上的储备。并不是所有的结构和结构构造在设计时都可以考虑蒙皮效应。目前我国的规范中只是规定，当采用不能滑动的连接件连接压型钢板及其支撑构件形成屋面或墙面等维护体系时，可在单层房屋设计中考虑蒙皮作用。由于缺乏相应的试验资料，加上我国的施工企业良莠不齐，连接构造和工艺不能得到可靠保证，所以在绝大多数设计中只是作为一种刚度储备，没有考虑应力的蒙皮效应。

　　可见，结构体系如此设计是存在很大问题的，整体稳定性得不到保证，冗余度不足，对初始缺陷非常敏感。交点处的上弦水平系杆被割断，对结构强度并没有产生大的影响，主要是对结构的整体稳定性影响很大，杆件割断瞬间产生的冲击力使横向桁架平面外失稳。所以，纵向斜腹杆的抽除是不正确的，这使得结构没有了抗侧力，刚度比较小。

　　2）桁架间未设置交叉支撑

　　要提高结构的整体稳定性和刚度，仅仅增加纵向斜腹杆是不够的。该展览馆屋盖中间的桁架区域面积达到126m×60.5m，如此大的区域却没有设置任何的交叉支撑。如果在上下弦各增设几道水平支撑，将中部的片体桁架分割成若干个小区域，不仅可以提高结构的稳定性，倘若一个杆件发生了破坏，也可以通过这些交叉支撑的分隔作用使破坏不会蔓延到其他区域，导致结构整体的连续性倒塌。

　　3）平面桁架采用螺栓球节点

　　桁架结构通常都是用钢管直接相贯焊接而形成相贯节点，采用螺栓球节点连接的并不多见，螺栓球节点一般用于跨度不大的轻型四角锥网架和三角锥网架。该工程如此大跨度的平面桁架，应该采用相贯节点而非螺栓球节点，可能只考虑了安装施工速度快而采用了螺栓球节点。

　　4）纵向系杆刚度差

　　该工程纵向水平系杆上弦采用的是Φ75.5×3.75的圆管，下弦采用Φ60×3.50的圆管，系杆长度约为2.3m，而横向桁架的上弦多为Φ159×10的圆管，下弦管截面尺寸多为Φ159×8，纵向系杆的截面相比就小了很多。

　　3.3.2施工原因分析

　　1）施工操作方式不当，更换杆件时未采取加固措施

　　施工人员在切割更换系杆时，施工单位并没有在事前提供更换方案，对原结构也无任何防护和保护措施，由此引起上弦杆平面外失稳而导致连续坍塌。

　　2）螺栓球存在假拧紧现象

　　当采用手动扳手拧紧时，高强螺栓可能达不到紧密顶紧的程度，所以此种节点连接的可靠性极大地依赖于安装质量。

　　3.4坍塌事故警示

　　网架结构本身是安全储备度很高的，即使是一些杆件退出工作，也可以通过自身的内力重分布进行调节。但此项事故不得不引起人们深思，在追求结构创新、用钢量最低的同时绝不可以牺牲必要的结构冗余度。

　　可以说，几乎所有的网架倒塌事故都是冗余度不足造成的。提高结构的冗余度从结构选型、平面布置、构造措施、施工质量等多方面综合考虑、共同控制，对于关键构件要进行重点保护，保证在结构遭受偶然荷载作用时，这些关键构件不会立即发生失效，同时外加荷载可通过其他构件的塑性发展而重新分布，从而达到提高整个建筑整体性和坚固性、防止发生连续性倒塌的目的。此次事故正是因为该结构冗余度过低，恰恰又是关键杆件被毫无防护地抽除，最终导致了网架整体的连续性垮塌。