摘 要：詳細(xì)介紹塔吊起重臂折斷原因，進(jìn)行各種工況下力學(xué)分析，并闡述節(jié)點(diǎn)焊縫失效造成后果，從而得出可靠結(jié)論，提出預(yù)防事故發(fā)生措施。
關(guān)鍵詞：塔吊 起重臂 鋼桁架 焊縫

高層建筑施工，塔吊是豎向運(yùn)輸主要機(jī)具，但塔吊使用中經(jīng)常發(fā)生重大安全事故，為此建設(shè)部曾多次下文。文獻(xiàn)[1]論述塔吊起重臂彎折事故，發(fā)生事故原因是塔吊起重臂中腹桿焊接存在缺陷，導(dǎo)致腹桿失去承載能力，致使起重臂彎折。這類(lèi)事故曾發(fā)生過(guò)多起，對(duì)這類(lèi)事故分析，具有普遍指導(dǎo)意義。本文從鋼結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，分析塔吊某一腹桿失去支承能力后，引發(fā)起重臂其他腹桿內(nèi)力變化，說(shuō)明起重臂彎折的必然原因。

1 事故概況

根據(jù)文獻(xiàn)介紹，2004年5月25日，河北省石家莊某公司住宅樓的施工現(xiàn)場(chǎng)，突然一聲巨響，一臺(tái)QT25E塔機(jī)起重臂彎折，發(fā)生一起較嚴(yán)重的事故。當(dāng)時(shí)司機(jī)正在該機(jī)駕駛室內(nèi)操作，準(zhǔn)備把一個(gè)重量小于0.8t的灰斗放至地面，突然發(fā)生了上述事故。根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，彎折處起重臂弦桿與一根腹桿的連接焊縫已脫開(kāi)，目測(cè)該處焊縫有陳舊性裂紋。在吊臂彎折處附近，焊縫脫開(kāi)的腹桿沒(méi)有彎曲，其他8根腹桿都在接近中點(diǎn)處彎折。

2 事故原因分析

2.1 焊接原因分析

從焊接破壞腹桿取樣發(fā)現(xiàn)，金相組織在焊區(qū)發(fā)現(xiàn)有孔洞，并發(fā)現(xiàn)多處從焊區(qū)表面伸入基體的沿晶裂紋，裂紋起始部位在焊縫與熱影響區(qū)交界處。通過(guò)掃描電鏡觀察，從斷口上可以明顯看出疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，裂源在弦桿與腹桿的焊縫邊緣，這說(shuō)明存在焊接缺陷。

8根腹桿都在接近中點(diǎn)處彎折，這是腹桿內(nèi)力突然增大和失穩(wěn)的表現(xiàn)，說(shuō)明焊縫脫開(kāi)失去承載能力之后，在起吊載荷作用下，引起吊臂各桿內(nèi)力突然增大和重新分布致使受壓的腹桿因超載而失穩(wěn)，這些腹桿失穩(wěn)彎折后，起重臂截面高度減小，使該段吊臂失去承載能力而彎曲。

2.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

2.2.1 塔吊起重臂結(jié)構(gòu)形式

塔吊起重臂結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，屬于靜定結(jié)構(gòu)，只要某一桿件遭到失穩(wěn)或破壞，將致使整個(gè)起重臂成為靜不定結(jié)構(gòu)，整個(gè)起重臂彎折破壞必然發(fā)生。

圖 1 塔吊起重臂結(jié)構(gòu)形式

2.2.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

（1）計(jì)算模型。塔吊起重臂的桿件數(shù)量較多，有二根鋼絲繩作吊點(diǎn)，故起重臂可看作二跨帶懸臂連續(xù)桁架，見(jiàn)圖1，為了計(jì)算簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只計(jì)算靠近塔吊塔身一跨桁架，見(jiàn)圖2，計(jì)算時(shí)，上弦剛度取K，下弦為2K，腹桿為0.5K，鋼絲繩拉桿為0.1K，荷載取50KN，位置分別在5#和9#點(diǎn)。

圖 2 靠近塔吊塔身一跨桁架

（2）腹桿未破壞時(shí)桿件內(nèi)力。假設(shè)桁架節(jié)點(diǎn)全部為鉸接，荷載分別作用到5#、9#點(diǎn)時(shí)軸向內(nèi)力見(jiàn)圖3-1、3-2。圖2為靜定結(jié)構(gòu)桁架，某一腹桿破壞，該結(jié)構(gòu)成為靜不定結(jié)構(gòu)，電算程序無(wú)法計(jì)算，故假定桁架節(jié)點(diǎn)改為固結(jié)。荷載分別作用到5#、9#點(diǎn)時(shí)軸向內(nèi)力見(jiàn)圖4-1、4-2。剪力與彎矩值不大，不予考慮。與圖3-1、3-2比較，軸向力兩者相差不大。

圖3 節(jié)點(diǎn)為鉸接時(shí)荷載作用到5#點(diǎn)的軸向內(nèi)力

圖4 節(jié)點(diǎn)為鉸接時(shí)荷載作用到9#點(diǎn)的軸向內(nèi)力

（3）腹桿5—15兩端節(jié)點(diǎn)焊接破壞失穩(wěn)后內(nèi)力。假設(shè)節(jié)點(diǎn)為固結(jié)情況，5-15桿兩端焊接失效，荷載在9#點(diǎn)時(shí)，其內(nèi)力見(jiàn)圖5，與圖4-2比較，4-14桿軸向內(nèi)力由-13.55KN（負(fù)值為壓桿）突然增大到-20.88KN，6-16桿由-13.52KN突然增大到-20.84 KN，其增大幅度分別為50%左右，此時(shí)上弦節(jié)點(diǎn)彎矩也發(fā)生突變。

圖5 節(jié)點(diǎn)為固結(jié)時(shí)荷載作用到5#點(diǎn)的軸向內(nèi)力

（4）當(dāng)腹桿5-15兩端節(jié)點(diǎn)焊接破壞，荷載在5#點(diǎn)時(shí)，其內(nèi)力見(jiàn)圖6，與圖4-1比較，4-14桿軸向內(nèi)力由-34.71KN（負(fù)值為壓桿）突然減少到-23.15KN，6-16桿由21.89KN突然增大到33.48 KN。此時(shí)上弦節(jié)點(diǎn)彎矩也發(fā)生突變。

圖6 節(jié)點(diǎn)為固結(jié)時(shí)荷載作用到9#點(diǎn)的軸向內(nèi)力

（5）當(dāng)腹桿6-15兩端節(jié)點(diǎn)焊接破壞，。荷載在9#點(diǎn)時(shí)，其內(nèi)力見(jiàn)圖7，與圖4比較，5-14桿軸向內(nèi)力由13.51KN突然增大到20.87KN，7-16桿由13.53KN突然增大到20.82 KN，其增大幅度分別為50%左右，此時(shí)上弦節(jié)點(diǎn)彎矩也發(fā)生突變。

圖7 當(dāng)腹桿5-15兩端節(jié)點(diǎn)焊接破壞，荷載作用到9#點(diǎn)的軸向內(nèi)力

3 結(jié)論與對(duì)策

3.1 結(jié) 論

不論荷載位置在何處，起重臂中某一根腹桿兩端焊接發(fā)生破壞而導(dǎo)致腹桿失穩(wěn)失效，按靜力進(jìn)行計(jì)算，將導(dǎo)致該腹桿和附近腹桿內(nèi)力發(fā)生突變。若按動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，其內(nèi)力突變將更大，這就是腹桿兩端焊接破壞時(shí)，起重臂發(fā)生折斷的根本原因。

圖8 當(dāng)腹桿5-15兩端節(jié)點(diǎn)焊接破壞，荷載作用到5#點(diǎn)的軸向內(nèi)力

圖 9 當(dāng)腹桿6-15兩端節(jié)點(diǎn)焊接破壞，荷載作用到9#點(diǎn)的軸向內(nèi)力

3.2 對(duì) 策

通過(guò)上述塔機(jī)起重臂彎折事故力學(xué)分析，得出今后預(yù)防的措施如下：（1）塔吊起重臂設(shè)計(jì)時(shí)，將靜定結(jié)構(gòu)改為超靜定結(jié)構(gòu)，即使某一根腹桿失穩(wěn)破壞，其內(nèi)力進(jìn)行重分布，不至于立即發(fā)生彎折破壞。（2）塔吊生產(chǎn)廠家應(yīng)加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制與檢查，應(yīng)按Ⅰ級(jí)焊縫要求考慮，出廠前進(jìn)行探傷檢驗(yàn)。（3）塔吊應(yīng)進(jìn)行定期檢查和維修，并有檢驗(yàn)報(bào)告單。（4）焊縫檢查應(yīng)采用探傷儀，若采用放大鏡檢查，放大倍數(shù)不應(yīng)小于10倍。若發(fā)現(xiàn)有裂紋必然重新施焊。（5）發(fā)現(xiàn)油漆剝落和金屬材料銹蝕，要查明原因。各種裂紋是應(yīng)力徐變的先兆，是鋼結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力狀態(tài)惡化的表現(xiàn)，必須立刻處理。主要受力構(gòu)件腐蝕超標(biāo)應(yīng)提出停止使用，報(bào)廢處理報(bào)告。（6）日常使用塔機(jī)應(yīng)經(jīng)常檢查，發(fā)現(xiàn)有異常情況時(shí)，必須及時(shí)匯報(bào)處理，嚴(yán)禁帶病運(yùn)行。塔機(jī)每轉(zhuǎn)場(chǎng)一次，在使用前必須進(jìn)行1次定檢，并保證每年進(jìn)行一次年檢。（7）機(jī)械化公司必須建立健全塔機(jī)的安全管理制度。定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提出技術(shù)故障和不正?，F(xiàn)象及時(shí)給予回復(fù)，建立設(shè)備安全技術(shù)檔案。