塔机起重臂弯折事故力学分析

 

    关键词：塔吊起重臂钢桁架焊缝

 

    高层建筑施工，塔吊是竖向运输主要机具，但塔吊使用中经常发生重大安全事故，为此建设部曾多次下文。文献[1]论述塔吊起重臂弯折事故，发生事故原因是塔吊起重臂中腹杆焊接存在缺陷，导致腹杆失去承载能力，致使起重臂弯折。这类事故曾发生过多起，对这类事故分析，具有普遍指导意义。本文从钢结构和结构力学观点出发，分析塔吊某一腹杆失去支承能力后，引发起重臂其他腹杆内力变化，说明起重臂弯折的必然原因。

 

    1事故概况

 

    根据文献介绍，2004年5月25日，河北省石家庄某公司住宅楼的施工现场，突然一声巨响，一台QT25E塔机起重臂弯折，发生一起较严重的事故。当时司机正在该机驾驶室内操作，准备把一个重量小于0.8t的灰斗放至地面，突然发生了上述事故。根据事故现场调查，弯折处起重臂弦杆与一根腹杆的连接焊缝已脱开，目测该处焊缝有陈旧性裂纹。在吊臂弯折处附近，焊缝脱开的腹杆没有弯曲，其他8根腹杆都在接近中点处弯折。

 

    2事故原因分析

 

    2.1焊接原因分析

 

    从焊接破坏腹杆取样发现，金相组织在焊区发现有孔洞，并发现多处从焊区表面伸入基体的沿晶裂纹，裂纹起始部位在焊缝与热影响区交界处。通过扫描电镜观察，从断口上可以明显看出疲劳裂纹扩展区，裂源在弦杆与腹杆的焊缝边缘，这说明存在焊接缺陷。

 

    8根腹杆都在接近中点处弯折，这是腹杆内力突然增大和失稳的表现，说明焊缝脱开失去承载能力之后，在起吊载荷作用下，引起吊臂各杆内力突然增大和重新分布致使受压的腹杆因超载而失稳，这些腹杆失稳弯折后，起重臂截面高度减小，使该段吊臂失去承载能力而弯曲。

 

    2.2结构力学分析

 

    2.2.1塔吊起重臂结构形式

 

    塔吊起重臂结构形式，如图1所示，属于静定结构，只要某一杆件遭到失稳或破坏，将致使整个起重臂成为静不定结构，整个起重臂弯折破坏必然发生。

 

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    图1塔吊起重臂结构形式

 

    2.2.2结构力学分析

 

    （1）计算模型。塔吊起重臂的杆件数量较多，有二根钢丝绳作吊点，故起重臂可看作二跨带悬臂连续桁架，见图1，为了计算简单起见，只计算靠近塔吊塔身一跨桁架，见图2，计算时，上弦刚度取K，下弦为2K，腹杆为0.5K，钢丝绳拉杆为0.1K，荷载取50KN，位置分别在5#和9#点。

 

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    图2靠近塔吊塔身一跨桁架

 

    （2）腹杆未破坏时杆件内力。假设桁架节点全部为铰接，荷载分别作用到5#、9#点时轴向内力见图3-1、3-2。图2为静定结构桁架，某一腹杆破坏，该结构成为静不定结构，电算程序无法计算，故假定桁架节点改为固结。荷载分别作用到5#、9#点时轴向内力见图4-1、4-2。剪力与弯矩值不大，不予考虑。与图3-1、3-2比较，轴向力两者相差不大。

 

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    图3节点为铰接时荷载作用到5#点的轴向内力

 

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    图4节点为铰接时荷载作用到9#点的轴向内力

 

    （3）腹杆5—15两端节点焊接破坏失稳后内力。假设节点为固结情况，5-15杆两端焊接失效，荷载在9#点时，其内力见图5，与图4-2比较，4-14杆轴向内力由-13.55KN（负值为压杆）突然增大到-20.88KN，6-16杆由-13.52KN突然增大到-20.84KN，其增大幅度分别为50%左右，此时上弦节点弯矩也发生突变。

 

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    图5节点为固结时荷载作用到5#点的轴向内力

 

    （4）当腹杆5-15两端节点焊接破坏，荷载在5#点时，其内力见图6，与图4-1比较，4-14杆轴向内力由-34.71KN（负值为压杆）突然减少到-23.15KN，6-16杆由21.89KN突然增大到33.48KN。此时上弦节点弯矩也发生突变。

 

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    图6节点为固结时荷载作用到9#点的轴向内力

 

    （5）当腹杆6-15两端节点焊接破坏，。荷载在9#点时，其内力见图7，与图4比较，5-14杆轴向内力由13.51KN突然增大到20.87KN，7-16杆由13.53KN突然增大到20.82KN，其增大幅度分别为50%左右，此时上弦节点弯矩也发生突变。

 

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    图7当腹杆5-15两端节点焊接破坏，荷载作用到9#点的轴向内力

 

    3结论与对策

 

    3.1结论

 

    不论荷载位置在何处，起重臂中某一根腹杆两端焊接发生破坏而导致腹杆失稳失效，按静力进行计算，将导致该腹杆和附近腹杆内力发生突变。若按动力进行计算，其内力突变将更大，这就是腹杆两端焊接破坏时，起重臂发生折断的根本原因。

 

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    图8当腹杆5-15两端节点焊接破坏，荷载作用到5#点的轴向内力

 

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    图9当腹杆6-15两端节点焊接破坏，荷载作用到9#点的轴向内力

 

    3.2对策

 

    通过上述塔机起重臂弯折事故力学分析，得出今后预防的措施如下：（1）塔吊起重臂设计时，将静定结构改为超静定结构，即使某一根腹杆失稳破坏，其内力进行重分布，不至于立即发生弯折破坏。（2）塔吊生产厂家应加强焊接质量控制与检查，应按Ⅰ级焊缝要求考虑，出厂前进行探伤检验。（3）塔吊应进行定期检查和维修，并有检验报告单。（4）焊缝检查应采用探伤仪，若采用放大镜检查，放大倍数不应小于10倍。若发现有裂纹必然重新施焊。（5）发现油漆剥落和金属材料锈蚀，要查明原因。各种裂纹是应力徐变的先兆，是钢结构杆件应力状态恶化的表现，必须立刻处理。主要受力构件腐蚀超标应提出停止使用，报废处理报告。（6）日常使用塔机应经常检查，发现有异常情况时，必须及时汇报处理，严禁带病运行。塔机每转场一次，在使用前必须进行1次定检，并保证每年进行一次年检。（7）机械化公司必须建立健全塔机的安全管理制度。定期对设备进行检查，并对现场提出技术故障和不正常现象及时给予回复，建立设备安全技术档案。