塔機起重臂彎折事故力學(xué)分析

 

    關(guān)鍵詞：塔吊起重臂鋼桁架焊縫

 

    高層建筑施工，塔吊是豎向運輸主要機具，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。這類事故曾發(fā)生過多起，對這類事故分析，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，突然一聲巨響，一臺QT25E塔機起重臂彎折，發(fā)生一起較嚴(yán)重的事故。當(dāng)時司機正在該機駕駛室內(nèi)操作，準(zhǔn)備把一個重量小于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)場調(diào)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(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(nèi)力突然增大和失穩(wěn)的表現(xiàn)，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(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，將致使整個起重臂成為靜不定結(jié)構(gòu)，整個起重臂彎折破壞必然發(fā)生。

 

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    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，故起重臂可看作二跨帶懸臂連續(xù)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。

 

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    圖2靠近塔吊塔身一跨桁架

 

    （2）腹桿未破壞時桿件內(nèi)力。假設(shè)桁架節(jié)點全部為鉸接，荷載分別作用到5#、9#點時軸向內(nèi)力見圖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)，電算程序無法計算，故假定桁架節(jié)點改為固結(jié)。荷載分別作用到5#、9#點時軸向內(nèi)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。

 

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    圖3節(jié)點為鉸接時荷載作用到5#點的軸向內(nèi)力

 

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    圖4節(jié)點為鉸接時荷載作用到9#點的軸向內(nèi)力

 

    （3）腹桿5—15兩端節(jié)點焊接破壞失穩(wěn)后內(nèi)力。假設(shè)節(jié)點為固結(jié)情況，5-15桿兩端焊接失效，荷載在9#點時，其內(nèi)力見圖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-20.84KN，其增大幅度分別為50%左右，此時上弦節(jié)點彎矩也發(fā)生突變。

 

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    圖5節(jié)點為固結(jié)時荷載作用到5#點的軸向內(nèi)力

 

    （4）當(dāng)腹桿5-15兩端節(jié)點焊接破壞，荷載在5#點時，其內(nèi)力見圖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33.48KN。此時上弦節(jié)點彎矩也發(fā)生突變。

 

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    圖6節(jié)點為固結(jié)時荷載作用到9#點的軸向內(nèi)力

 

    （5）當(dāng)腹桿6-15兩端節(jié)點焊接破壞，。荷載在9#點時，其內(nèi)力見圖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20.82KN，其增大幅度分別為50%左右，此時上弦節(jié)點彎矩也發(fā)生突變。

 

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

 

    3結(jié)論與對策

 

    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)行計算，將導(dǎo)致該腹桿和附近腹桿內(nèi)力發(fā)生突變。若按動力進(jìn)行計算，其內(nèi)力突變將更大，這就是腹桿兩端焊接破壞時，起重臂發(fā)生折斷的根本原因。

 

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

 

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

 

    3.2對策

 

    通過上述塔機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)計時，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)加強焊接質(zhì)量控制與檢查，應(yīng)按Ⅰ級焊縫要求考慮，出廠前進(jìn)行探傷檢驗。（3）塔吊應(yīng)進(jìn)行定期檢查和維修，并有檢驗報告單。（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，報廢處理報告。（6）日常使用塔機應(yīng)經(jīng)常檢查，發(fā)現(xiàn)有異常情況時，必須及時匯報處理，嚴(yán)禁帶病運行。塔機每轉(zhuǎn)場一次，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）機械化公司必須建立健全塔機的安全管理制度。定期對設(shè)備進(jìn)行檢查，并對現(xiàn)場提出技術(shù)故障和不正常現(xiàn)象及時給予回復(fù)，建立設(shè)備安全技術(shù)檔案。