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周博士考察拾零（七十四） 一场暴雨引发日光温室倒塌的成因分析 1温室基本情况 2温室倒塌现场情况 3温室倒塌原因分析 3.1温室前屋面骨架连接点断裂是事故的直观成因 3.2温室后屋面渗水是温室倒塌的潜在诱因 3.3温室保温被挡水是温室倒塌的直接诱因 4倒塌事故带给人们的警示 1.温室基本情况 温室建造于2005年，跨度7.5m，脊高3.5m，后屋面投影宽度（室内投影）0.84m，后墙高（室内）2.5m，后墙檐高（室外）3.0m，温室长度50m。温室内外景及结构如图1所示。 温室后墙采用双层黏土红机砖砖墙内夹100mm厚聚苯板的做法，其中内侧墙体厚120mm，外侧墙体厚240mm。为加强温室保温，园区内一些温室还在后墙外侧粘贴了200mm厚发泡水泥保温层。 温室后屋面做法由内到外依次为：油毡+100mm厚聚苯板+陶粒层+20mm厚水泥砂浆找平抹面层+油毡防水，其中陶粒层既是温室后屋面的保温层也是温室后屋面三角区的填充层，厚度0~400mm不等，从温室后墙室内高度到室外屋檐与温室后屋面形成的三角形区域全部用陶粒填充，填充部位的屋面为平屋面，与温室后墙檐口齐平。 温室屋面骨架采用装配式镀锌钢管结构，按照单管、双管间隔布置的方式设置，骨架两端分别焊接到温室后墙和前墙基础的圈梁上，其他部位则全部采用卡具连接，结构现场组装。温室除了配置标配的屋脊通风口和室外保温被及卷帘机外，还配套了室外遮阳网和室内人工补光系统。该温室建造当时在北京市算得上是建造规格高、设备配置全、温室性能很好的温室。 2.温室倒塌现场情况 雨后温室屋面（包括前屋面和后屋面）出现整体倒塌（图2、图3），但山墙和后墙保持完好，说明温室的墙体结构是牢固的，屋面整体坍塌是由于温室骨架的失效而引起的。从温室前屋面的倒塌情况看，温室骨架发生了局部断裂（图2c），并由局部承力失效引起骨架整体折断，进而波及到温室后屋面坍塌，最终造成温室屋面整体倒塌。 从温室后屋面的倒塌情况看，大部分区域发生断崖式坍塌，完全脱离温室后墙（图3a），只有在靠近温室门斗位置的局部区域屋面没有完全脱离后墙，但也都出现完全断裂（图3c）。这是因为温室后屋面构造层除了最外部的油毡防水层与温室后墙有连接之外，其他部位与温室后墙基本没有连接。从后屋面完全倒塌的区域看，温室骨架在后墙处的连接并没有发生断裂，说明这个局部节点并没有达到强度破坏的程度，只是由于前屋面和后屋面倒塌，使之发生了折弯（图3b）。 从现场倒塌情况看，温室的前屋面和后屋面已经完全失效，同时也失去了修复的价值，但温室的山墙和后墙基本完好。温室可以在保留墙体的基础上更新温室骨架，重新设计和建造后屋面来恢复温室的使用功能。 3.温室倒塌原因分析 分析温室倒塌的成因不外乎从结构破坏发生时的破坏荷载和结构承力薄弱点2个方面入手，其中包括现场能看到的显性直观现象，也包括现场看不到的隐性问题。以下从显性和隐性2个方面进行温室倒塌成因分析。 3.1温室前屋面骨架连接点断裂是事故的直观成因 从温室倒塌的直观成因看，是桁架的上弦杆发生了局部断裂（图2c），这个断裂点正好是在2根钢管的连接处。受单根钢管定尺长度的限制（一般定尺为6m），温室屋面桁架中的弦杆，不论上弦杆还是下弦杆，一根定尺钢管都无法满足桁架总长的要求，所以，桁架弦杆必须采用2根钢管连接的方法来完成。对于组装式钢管结构，由于2根钢管之间的连接不采用焊接连接的方式（避免镀锌层破坏，也是由于钢管壁厚较薄，对焊难以满足焊接质量要求），而是采用2根钢管对接后内插或外套套管的方式连接。内插套管由于套管的直径较受力主管的小，而且套管与主管以及连接的2根主管之间可能还存在间隙，进一步减小了节点处骨架的截面尺寸，使该连接点最终成为了承力的薄弱点。从实际破坏的情况看（图2c），桁架上弦杆采用了内插管的连接方式（主要是考虑屋面覆盖塑料薄膜时在骨架不出现局部凸起影响塑料薄膜的安装和使用寿命），破坏正好发生在这一点，内插管完全断裂，而下弦杆采用了外套管的连接方式，连接点处没有发生任何破坏，下弦杆的破坏点则转移到了主管，说明外套管的连接强度要高于主管。今后的工程设计中应慎重使用内套管的做法，在可能的情况下应优先选择外接套管的连接方式。 事实上，该温室倒塌早有预兆，2年前，桁架上下弦杆连接节点处就已经出现了变形（图4）。如果发现后及早支撑立柱、加强或更换桁架，这场事故也可能能够避免。从现场温室倒塌的情况看，温室骨架在后墙和基础处的连接还是可靠的。但从同类温室的使用情况看，这两个节点也同样存在很大的安全隐患。钢管根部与钢筋混凝土接触或连接部位镀锌层受到严重腐蚀，钢管锈蚀严重（图5）。由于桁架用钢管多为薄壁管，这种锈蚀可能直接造成骨架在墙体或基础连接部位的断裂。建议及早采取预防措施，或采用立柱支撑骨架，或附加连接件，消除锈蚀可能造成的安全隐患。 3.2温室后屋面渗水是温室倒塌的潜在诱因 倒塌温室采用了倾斜保温板加松散陶粒填充后屋面三角区的做法。从提高温室后屋面的保温性能看，这种做法肯定具有良好的保温性能。但从倒塌温室的实际运行效果看，由于没有定期对屋面防水油毡进行维修，导致水分从油毡裂隙渗入，致使松散陶粒保温材料吸水后自重加重，随着使用时间的增加，在自重作用下出现局部沉降，使原来的平屋面出现局部凹陷，这种局部凹陷一方面影响屋面排水，使降雨后的屋面处于长期雨水浸泡中（图6a），增加温室屋面荷载；另一方面屋面变形可能会拉断防水油毡，造成油毡防水失效，使屋面积水进一步渗透到屋面保温层中，不仅加大温室屋面荷载，而且也使温室后屋面的保温能力严重下降。实际运行中也发现，由于后屋面内侧保温板不是插入温室墙体，而是直接对接到温室墙面，由于保温板与后墙的密封不严，从保温板边沿的水汽渗透已经造成了内部松散保温材料吸湿。吸湿后的松散保温材料由于体积较大，由此而产生的附加荷载会给温室骨架增加很大的荷载。由于进入温室屋面松散材料的湿气在屋面双侧防水层的保护下很难从内部蒸发，所以这种荷载将是长期的，这种荷载或许对温室结构的倒塌有一定贡献。 从日光温室后屋面发展的潮流看，用陶粒等松散材料填充后屋面三角区的做法越来越少，取而代之的是采用坡屋面（图6b），将单层聚苯板保温材料直接从温室后墙的屋檐高度倾斜安装到温室屋脊。这种做法不仅取消了温室后屋面三角区的填充材料，节省了造价，也减轻了温室骨架的荷载，而且完全消除了平屋顶的积水问题。需要指出的是，这种做法在具体设计和施工中应在后墙檐口做挑檐，并在挑檐檐口下做滴水槽，以避免屋面排水淋湿温室后墙。挑檐的做法可以是钢筋混凝土板，也可以是砖挑檐，视具体条件而定。 3.3温室保温被挡水是温室倒塌的直接诱因 从温室前屋面破坏的位置看，一是在桁架上下弦杆连接的节点位置（图2c）；二是在屋面保温被所在的位置（图2a、图3a）。在桁架弦杆连接点破坏的原因前面已经进行了分析。温室骨架在保温被所在的位置断裂似乎是一种巧合，但其实也是一种必然。为提高保温被的保温性能，避免水汽渗透进入保温芯影响保温被的保温性能，所有的保温被都做了防水面层（尽管目前大量使用的针刺毡保温被的表面防水层的防水质量较差），倒塌温室更是采用了一种电缆皮防水面层，几乎完全杜绝了雨水向保温芯的渗漏。大多数日光温室保温被夏季都不拆卸，而是卷起放置在温室屋脊位置。从倒塌温室保温被放置位置看（图2b），保温被刚好处于屋面第一道纵向系杆的位置，这个位置正好是温室屋脊通风口的下沿位置（图4b）。将保温被放置在这个位置，或许是管理者为了避免下雨期间室外雨水通过屋脊通风口流落进温室，将保温被放置在屋脊通风口以下，可用保温被完全覆盖屋脊通风口，从而彻底避免了雨水通过屋脊通风口进入温室。 但卷起的保温被同时又是一道“挡水梁”，从温室屋脊到保温被被卷中心覆盖区域的降雨被全部汇集在保温被卷与温室屋面形成的凹槽内，只有在形成一定水位后才能够通过保温被的两端排除。由于日光温室较长，当形成足够的排水水位时，在保温被卷的背部已经积聚了大量的雨水，这种推断可以从图7雨后保温被的积水情况得到印证。 由图7a可以看出，即使保温被下卷到接近温室前沿，在保温被被卷与温室屋面形成的凹槽中仍然积聚有一定水位的雨水。图7b是雨过天晴后展开保温被时保温被端部排水的情况，事实上，在保温被没有展开时，这些排水全部都积聚在保温被与温室屋面形成的凹槽中。雨后卷放保温被还有这么多积水，在暴雨期间，相信这一积水不会太少。恰恰这个积水荷载又作用在了温室骨架钢管连接最薄弱的部位，由此可以推断，超限荷载作用在了温室结构最薄弱的位置，两者的结合应该是造成这次温室倒塌事件的主要原因。 4.倒塌事故带给人们的警示 一次事故的发生可能是偶然的，但总结造成事故的成因却可能避免更多事故的发生。此次温室倒塌事件中也给了人们一些重要的启示：一是下雨期间日光温室保温被应尽量放置在靠近温室屋脊位置，以最大限度减少温室屋面和保温被之间区域的汇水面积或者将保温被展开到温室前屋面底部，使之完全覆盖温室屋面，消除保温被对屋面雨水的阻拦，或者到了夏季将温室保温被拆除后放置在门斗或脱离温室的安全地方；二是在温室设计荷载中应充分考虑降雨可能产生的附加荷载，尤其要考虑由于日光温室保温被的阻水作用形成的积雨荷载，该荷载应与暴雨强度、卷帘机单侧保温被长度（排水距离）、保温被阻水的汇水面积（保温被的放置位置）、保温被自身的透水能力（透水保温被可排出一定量的积水，但会直接影响保温被的保温性能）、保温被的厚度（影响被卷的直径）等因素有关；三是钢管对接连接时应慎重采用内插套管的连接方式，尤其要避免内插套管与主管之间出现很大间隙或者两根对接主管之间对接不严的问题；四是在温室的日常管理中要对发现的安全隐患及时处理，避免小问题演化为大问题，或者甚至完全无可挽回的灾难。 （作者单位：农业部规划设计研究院，农业部农业设施结构工程重点实验室） |
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