塔機起重臂彎折事故力學分析

  摘 要：詳細介紹塔吊起重臂折斷原因，進行各種工況下力學分析，并闡述節點焊縫失效造成后果，從而得出可靠結論，提出預防事故發生措施。
關鍵詞：塔吊 起重臂 鋼桁架 焊縫

高層建筑施工，塔吊是豎向運輸主要機具，但塔吊使用中經常發生重大安全事故，為此建設部曾多次下文。文獻[1]論述塔吊起重臂彎折事故，發生事故原因是塔吊起重臂中腹桿焊接存在缺陷，導致腹桿失去承載能力，致使起重臂彎折。這類事故曾發生過多起，對這類事故分析，具有普遍指導意義。本文從鋼結構和結構力學觀點出發，分析塔吊某一腹桿失去支承能力后，引發起重臂其他腹桿內力變化，說明起重臂彎折的必然原因。

1 事故概況

根據文獻介紹，2004年5月25日，河北省石家莊某公司住宅樓的施工現場，突然一聲巨響，一臺QT25E塔機起重臂彎折，發生一起較嚴重的事故。當時司機正在該機駕駛室內操作，準備把一個重量小于0.8t的灰斗放至地面，突然發生了上述事故。根據事故現場調查，彎折處起重臂弦桿與一根腹桿的連接焊縫已脫開，目測該處焊縫有陳舊性裂紋。在吊臂彎折處附近，焊縫脫開的腹桿沒有彎曲，其他8根腹桿都在接近中點處彎折。

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現，金相組織在焊區發現有孔洞，并發現多處從焊區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交界處。通過掃描電鏡觀察，從斷口上可以明顯看出疲勞裂紋擴展區，裂源在弦桿與腹桿的焊縫邊緣，這說明存在焊接缺陷。

8根腹桿都在接近中點處彎折，這是腹桿內力突然增大和失穩的表現，說明焊縫脫開失去承載能力之后，在起吊載荷作用下，引起吊臂各桿內力突然增大和重新分布致使受壓的腹桿因超載而失穩，這些腹桿失穩彎折后，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 結構力學分析

2.2.1 塔吊起重臂結構形式

塔吊起重臂結構形式，如圖1所示，屬于靜定結構，只要某一桿件遭到失穩或破壞，將致使整個起重臂成為靜不定結構，整個起重臂彎折破壞必然發生。

圖 1 塔吊起重臂結構形式

2.2.2 結構力學分析

（1）計算模型。塔吊起重臂的桿件數量較多，有二根鋼絲繩作吊點，故起重臂可看作二跨帶懸臂連續桁架，見圖1，為了計算簡單起見，只計算靠近塔吊塔身一跨桁架，見圖2，計算時，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。

圖 2 靠近塔吊塔身一跨桁架

（2）腹桿未破壞時桿件內力。假設桁架節點全部為鉸接，荷載分別作用到5#、9#點時軸向內力見圖3-1、3-2。圖2為靜定結構桁架，某一腹桿破壞，該結構成為靜不定結構，電算程序無法計算，故假定桁架節點改為固結。荷載分別作用到5#、9#點時軸向內力見圖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 節點為鉸接時荷載作用到5#點的軸向內力

圖4 節點為鉸接時荷載作用到9#點的軸向內力

（3）腹桿5—15兩端節點焊接破壞失穩后內力。假設節點為固結情況，5-15桿兩端焊接失效，荷載在9#點時，其內力見圖5，與圖4-2比較，4-14桿軸向內力由-13.55KN（負值為壓桿）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，此時上弦節點彎矩也發生突變。

圖5 節點為固結時荷載作用到5#點的軸向內力

（4）當腹桿5-15兩端節點焊接破壞，荷載在5#點時，其內力見圖6，與圖4-1比較，4-14桿軸向內力由-34.71KN（負值為壓桿）突然減少到-23.15KN，6-16桿由21.89KN突然增大到33.48 KN。此時上弦節點彎矩也發生突變。

圖6 節點為固結時荷載作用到9#點的軸向內力

（5）當腹桿6-15兩端節點焊接破壞，。荷載在9#點時，其內力見圖7，與圖4比較，5-14桿軸向內力由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，此時上弦節點彎矩也發生突變。

圖7 當腹桿5-15兩端節點焊接破壞，荷載作用到9#點的軸向內力

3 結論與對策

3.1 結 論

不論荷載位置在何處，起重臂中某一根腹桿兩端焊接發生破壞而導致腹桿失穩失效，按靜力進行計算，將導致該腹桿和附近腹桿內力發生突變。若按動力進行計算，其內力突變將更大，這就是腹桿兩端焊接破壞時，起重臂發生折斷的根本原因。

圖8 當腹桿5-15兩端節點焊接破壞，荷載作用到5#點的軸向內力

圖 9 當腹桿6-15兩端節點焊接破壞，荷載作用到9#點的軸向內力

3.2 對 策

通過上述塔機起重臂彎折事故力學分析，得出今后預防的措施如下：（1）塔吊起重臂設計時，將靜定結構改為超靜定結構，即使某一根腹桿失穩破壞，其內力進行重分布，不至于立即發生彎折破壞。（2）塔吊生產廠家應加強焊接質量控制與檢查，應按Ⅰ級焊縫要求考慮，出廠前進行探傷檢驗。（3）塔吊應進行定期檢查和維修，并有檢驗報告單。（4）焊縫檢查應采用探傷儀，若采用放大鏡檢查，放大倍數不應小于10倍。若發現有裂紋必然重新施焊。（5）發現油漆剝落和金屬材料銹蝕，要查明原因。各種裂紋是應力徐變的先兆，是鋼結構桿件應力狀態惡化的表現，必須立刻處理。主要受力構件腐蝕超標應提出停止使用，報廢處理報告。（6）日常使用塔機應經常檢查，發現有異常情況時，必須及時匯報處理，嚴禁帶病運行。塔機每轉場一次，在使用前必須進行1次定檢，并保證每年進行一次年檢。（7）機械化公司必須建立健全塔機的安全管理制度。定期對設備進行檢查，并對現場提出技術故障和不正常現象及時給予回復，建立設備安全技術檔案。