塔式起重机是建设工地上应用最广、工作空间最大的起重机,因而塔机已为我国的建设事业做出了重大贡献。然而,由于塔式起重机安装得高、臂架伸得长、一般都是现场安装、施工中要经常顶升加高,因而塔式起重机比较容易引发事故,安全知识就特别重要。尽管从上到下,已一再强调要注意施工安全,有的地方也组织了培训班。但是不少单位和机构,在培训时只重学文件、学制度,技术知识的学习并没有引起足够重视,使得事故下降并不很明显。笔者近两年参于调查处理多起塔机事故,深感专业知识的缺乏,对塔机的安全构成重大威慑。引发塔机事故的因数多种多样,在这里,我想先谈谈压杆失稳对塔式起重机安全的威慑。

1　问题的提出
　　塔式起重机最可怕的事故是出现倒塔。一旦发生这种事故,往往是机毁人亡,损失惨重。特别是结构件,有的折弯,有的断开,有的撕裂,真是面貌全非。说句实话,面对这种情况,如果不具备一定的塔式起重机专业知识,要想对事故进行分析,是件很困难的事。但是,也有些地方在出了事故以后,只要看到发生了断裂,就认为是质量问题。而且特别容易做出材料不合格或者焊接质量有问题的结论,这是不太妥当的。固然,材料不合格和焊接不到位的现象是存在的,是事故隐患之一,但要做出结论仍然要有充分的事实依据。特别是对那些使用多年的塔式起重机,或是对那些多年来一直稳定批量供货的材料,要做这样的结论更应该慎重。因为塔式起重机发生破坏的因素很多,各种可能因素要进行对比。断裂只是一种现象,不一定是发生事故的原因。很多人容易看到的只是断裂现象。但断裂有内在质量缺陷引起的,还有属于连锁反应引起的,很多人却看不清。实际上,在塔式起重机结构中,压杆失稳引发的事故并不少见,可能比原发性受拉断裂还要多,所以我们必须深入了解压杆失稳对塔式起重机的安全威慑。此外,有限元软件的推广应用,有些人只注意计算节点应力,不进行压杆局部失稳校核,也有可能留下安全隐患,值得提起注意。

2　塔式起重机主要结构部件的受力分析
　　前面已提到:压杆失稳引发的事故并不少见,可能比原发性受拉断裂还要多。要理解这句话,我们就首先有必要对塔式起重机主要结构部件做出大概的受力分析。
2.1　底架和塔身
　　一台塔机,不管其受力怎么复杂,但对底架和塔身来说,其上部的载荷都可简化为一个正压力和一个弯矩,正如插图1所示。正压力使塔身的4根主弦均匀受压;而弯矩要靠主弦杆有拉有压来平衡。如在对角线平面内起吊,则标准节受力如图2所示,靠臂架一方主弦受压,靠平衡臂一方主弦受拉。也就是1号主弦受压,3号主弦受拉。正压力和弯矩组合后,1号主弦的压力是相加的,所以压力值就特别大,也最危险; 3号主弦的拉力要减去原来的均压力,所以其拉力值要小于1号主弦的压力的绝对值,就没那么危险。所以塔机设计人员最关心的是主弦杆压力。而一般人员常常以为拉断才是最危险的,这是一种直观错觉。他们不了解受压的危险性。
2.2　塔顶的受力分析
　　塔顶的受力主要来自平衡臂拉杆和起重臂拉杆。正如图3所示。可以看出: 平衡臂拉杆和起重臂拉杆的合力,对塔顶也构成一个正压力和一个弯矩。所以塔顶的受力与塔身类似,也是压弯联合作用,它的主弦杆受力状态,也是压力大于拉力。
2.3　起重臂的受力
　　起重臂的受力比较复杂,它与拉杆布置以及起吊位置有关。图4是一个双拉杆的起重臂受力分析简图。从图中可以看出:吊臂拉杆和小车牵引绳的水平分力,对吊臂构成一个压力,而吊臂自重和起吊载荷,使臂架产生铅直平面内弯矩,风力和回转惯性载荷,使吊臂产生水平侧向弯矩。这些内力组合,使起重臂仍然是处于压弯联合作用状态。毫无疑问,吊臂主弦的压力往往也是大于拉力。
　　从以上分析可知,塔机的主要结构部件,其杆件所受的最大内力,往往都是压力大于拉力,所以要高度注意压力对安全的威慑。

3　结构杆件的承载能力
　　受拉杆件,它的破坏形式可以是塑性伸长、拉断、或者疲劳开裂。对拉伸破坏大家都好理解,用不着多说。然而,受压杆件的破坏形式是什么呢？有的人就不那么清楚了。那就是局部失稳,或者说局部屈曲。
　　其实杆件局部失稳比拉断要危险得多！那到底什么是局部失稳呢？我们知道,拿一根细长杆,上面加压力,当压力不大时,杆子是直的,当压力一步步增加,突然,杆子会变弯,而且会丧失原有的承载能力,这就是局部失稳。产生由直变弯的这个压力就叫临界压力。临界压力的大小主要取决于杆件的长细比,与微观结构关系不大。杆件失稳,或者说屈曲,是突发性的,没有声响,不容易察觉，但一旦失稳就会降低或者丧失承载能力,所以危险性很大。在结构力学上临界压力是可以计算的。对于两端铰支的杆件，其临界压力：
Pcr=π2EJ/L2 （1）
式中: E为材料弹性模量
J为杆件截面惯性矩
L为杆件长度或结构部件中杆件的节距
　　在这里的计算式,主要是为了介绍失稳的概念和影响因素,更准确的计算还要考虑别的因素,不是几句话可以讲清楚的,不宜在这里多加论述。塔式起重机的结构设计特别要注意控制临界压力。在设计上,一般用临界压力除以杆件截面面积等于临界应力来控制,记作σcr ,而且一般控制在弹性范围内失稳,也即取:
σcr= Pcr/F=π2EJ/L2/F （2）
如果令 J=F×i2 代入上式，会得到
σcr= π2E/（L/i）2 =π2E/λ2 （3）
其中:λ= L/i i就是杆件的惯性半径，λ就叫杆件的长细比。
　　可以看到:临界应力只取决于杆件的弹性模量和长细比λ。
　　所有钢材,弹性模量都差不多,对局部失稳来说,主要就取决于长细比。有的塔机,为了减轻自重,采用了低合金钢代替普通碳素钢,这只能提高抗拉强度,并不能提高临界应力,要提高临界应力,还是要缩小长细比。要想保证在弹性范围内失稳,就要使σcr＜σS。并且令:=σcr/σS 叫做杆件的稳定系数。在弹性范围内失稳，其绝对值小于1。对Q235普通碳素钢和16Mn钢,对应不同的λ值,有不同的值,设计规范上有表可查。
我国现有的塔式起重机，结构件多用Q235型钢焊接而成。Q235为普通碳素钢材,σS=235MPa,σb=375～460MPa（见GB700-88）; 在塔机设计时,一般取容许应力 [σ]=170MPa 也就是说：
　　满应力时产生塑性伸长的安全系数为nS=235/170=1.38;
　　产生断裂的安全系数nb=380/170=2.23～2.64;
　　而压杆稳定系数的选取,与部件受力大小和重要性有关。例如对标准节的主弦杆,可以取=0.93～0.97。假如取=0.95,满应力时压杆的安全储备系数nY=235×0.95/170=1.31倍;就要低于nS和nb。
　　为了更安全,假定在设计时只取:σ压 =165 MPa
　　这时主弦杆受压实际的安全储备为: 235×0.95/165=1.35倍。
　　为了说明问题,我们举一个实例:
　　假如某台QTZ80tm塔机,其上部正压力取40t,则该塔机塔身每根主弦分摊的均压力就是10t。在满载条件下,假定受压主弦的最大计算压力是80t,则受拉主弦的最大计算拉力就会是60t。当受压主弦最大压应力取165 Mpa时，此时受拉主弦最大拉应力仅为: 124 MPa，比压应力要低得多！
　　主弦拉伸产生塑性变形的安全系数为: nS=235/124=1.89倍。
　　主弦拉伸产生宏观断裂的安全系数为: nb=380/124=3.06倍，比n压=1.35 要高得多！所以一般情况下不容易发生主弦拉伸断裂。而是主弦杆的局部失稳。
　　通过上面的分析,说明塔机标准节承载能力主要取决于受压的主弦杆,是局部失稳破坏。对于塔顶和臂架，因为也都是压、弯联合作用，情况与此类似，往往也是局部失稳破坏起主要作用。但塔机出事故时，事实上会看到多处断裂现象，这又该怎么看呢？这就需要分清:原始缺陷断裂和连锁反应断裂不同,现象和真正原因不是一回事。

4　关于质量缺陷断裂和连锁反应断裂的区别
　　当一台塔机发生事故后，现场看到的肯定是有结构件断裂，有杆件弯曲，有焊缝开裂，有的部件完全解体，面貌全非。进行事故原因分析是很困难的工作,必须深入调查，细致观察现场情况，从产品设计、材料选择、焊接质量、断裂面情况、现场操作、使用情况、载荷大小、使用经历、工作年限、安全装置和工作机构是否正常等各个方面，做出种种可能性设想。再应用科学分析手段，对所观察到的现象和调查了解到的情况，进行系统分析和逻辑推理。在分析中，要多提问题，多听取各方面意见，只要发现矛盾，要敢于否定自己的设想。最终必须找到一个能解释所观察到的现象、符合逻辑推理、让人们能够接受的分析结论。在分析过程中，专业知识是很重要的，要切忌只看现象、不究实质、想当然的轻易下结论。但不管情况怎么复杂，对于结构破坏，最重要的是必须要抓住载荷分析、应力分析和结构承载能力分析，因为任何破坏，总离不开是实际应力超过所能承受的极限应力才能引起。也就是说实际载荷超过了安全储备范围。你必须找到引起应力超值的原因。
　　对于承受压、弯联合作用的结构，前面我们已经分析过，承受压力的杆件，其安全储备系数最低，也即破坏往往由压杆局部失稳引起。但杆件失稳以后,其承载能力就要下降。实际上杆件失稳后,开始只是微弯,并不明显,若现场没有发现,还会继续使用。结果每起吊一次,弯曲挠度就增加一点,弯曲挠度越大,承压能力就越低,在外载荷不变情况下,受拉主弦的拉力就要增加。而对塔身来说,当标准节主弦弯曲时,该节距两端面就会靠拢,塔身上部就会开始倾斜（见图5）。在倾斜后起重力矩还要增大,要平衡该起重力矩,受拉主弦的拉力就还要大大增加,这是受压主弦屈曲后必然发生的连锁反应！本来受拉主弦连接套附近或结点焊缝附近,就存在不可避免的应力集中,当拉力增大到一定值时,受不了了,就会发生断裂。这种断裂就是连锁反应断裂。这只是一种断裂现象,但不是发生事故的真正原因。

　　有的地方,一看到有断裂现象出现,就认为是质量缺陷。他们往往找人做一下金相分析就下结论,这是不妥的。的确,因质量缺陷引发的事故也存在,但必须明确找到缺陷源和引发因素。比如焊接不到位,焊缝尺寸太小,里面严重夹渣甚至于塞有焊条;构件材料或尺寸与图纸不符;所用材料不正规,没有质量保证书;孔边或形状复杂的零件有尖角存在,容易引起应力集中等等。总之,从载荷到使用历史,必须认真检查分析,才能找到真正的事故原因。一般地说,对使用时间较长的塔式起重机,由质量缺陷引起的事故很少见,因为如果存在原始质量缺陷,在早期使用中早就会表现出来了。但老塔式起重机最可怕的是疲劳破坏和磨损破坏,用户要特别注意维护检查。一查安全机构,特别是力矩限制器,不要让它失灵而引起超载;二查节点处、孔边缘、尖角处和连接头附近是否有疲劳裂纹;三查易磨损处的磨损量是不是太多。一旦发现裂纹和磨损过多,要立即补焊,而且要同时检查力矩限制器是否失灵,因为疲劳开裂与长期载荷失控有关。对于使用历史不太长的塔式起重机,如安装时做过试验和调试,使用中出现了断裂事故,首先要查力矩限制器是否工作正常。只要力矩限制器是正常的,那由质量缺陷引发事故的可能性就比较大。要害就是要查焊缝、孔边缘、尖角附近等应力集中处,因为在力矩没超过额定载荷情况下,局部失稳就不会发生（有杆件碰弯的情况例外）,既然连临界应力都达不到,那离强度极限就更远，所以母材的断裂就更难发生了,只有焊接质量和原始缺陷才可能是薄弱环节，但由原始缺陷引起的断裂，其断裂面往往有新、旧断裂面的明显界限，旧断裂面是缺陷源处应力集中、裂缝慢慢扩大所留下的。如果没有看到旧断裂面的痕迹，而对面杆又有弯曲现象，那这种断裂就是屈曲失稳引发的连锁断裂。因为没有缺陷源的主弦杆，其破断拉力不可能低于临界压力。正是这样,才在这里提出要强调压杆失稳对塔式起重机的安全威慑。

5　提高理性认识,注意防止受压杆件失稳
　　通过前面的介绍,大家就会明白:对塔式起重机结构件来说,除了断裂破坏,还有一种更危险的破坏形式,那就是压杆局部失稳。当然，前面的介绍只是概念性的，要真正会设计计算还要考虑其他因素，但是能从只有单一的断裂破坏概念进入到懂得受压杆件局部失稳破坏，这在理性认识上已经提高了一步。对于使用单位和管理部门来说，提高关于压杆失稳对塔式起重机的安全威慑的理性认识很有必要。有的用户使用塔机，认为只要能吊起来就没事了，就是安全的，实际并非如此。因为他们不了解塔机结构件到底存在有那些危险因素，更不了解各种破坏因素的安全储备，所以各种各样的不自觉的违章作业较多，犯了错误还不知道；有的地方管理部门，抓安全不知道什么是要害，查安全不查安全装置是否正常，而是查一些无关紧要的地方；出了事故，不注意保护现场，尽快请专业机构和专业人员来帮助分析，而是在当地找一些人来看看，大家按自己的认识就讨论出一个说法。这样做是很不利于吸取教训、搞好安全生产的。有的地方只做一下金相分析,就给事故原因下结论,也是很不慎重的。因为金相分析只能定性地看一看材料或者焊缝的金相组织情况,并不能定量确定材料的承载能力,搞不清应力分布情况和各种安全因素的大小,这又怎么能找到真正的原因呢？实际上，塔式起重机是特种产品，是要许可证才能生产销售的，出了事故往往都是大事故，因此制造商还比较谨慎,所用材料基本上是大钢铁厂提供的大批量生产的材料,一般都会有质量保证书。低质量塔机产品也有，但不像其他商品那样容易出现假冒伪劣；到是在使用管理上，由于缺乏培训，特别缺少理性认识，要控制违章作业是比较困难的。因此我们一再呼吁，管理部门要重视加强技术培训,提高理性认识,切实有效地防止事故。其中防止压杆失稳就是一个重要方面。
　　要防止压杆失稳破坏，我以为要特别注意以下几点：
5.1　确保塔机安全装置正确有效的工作
　　在使用塔机时,一定要保持安全机构正常有效的工作,特别是力矩限制器。因为发生局部失稳,一定要实际压力超过临界压力。只要力矩限制器正常,不管什么原因造成超载,就会报警和停电,叫你吊不起来。只要不超载,实际压力就不会大于临界压力,也就不会出现杆件局部失稳。然而，在工地上，力矩限制器调好后，平时工作机会并不多，过一段时间后，到底工作正常不正长，操作者并不知道，这就容易引发事故。因此一定要注意检查维护。办法是每隔一段时间，要去拨动一下力矩限制器限位开关的触头，看它是否还会报警。如果没有反应，就要先查力矩限制器的传感电路，一定要找出原因并处理好后才能继续操作。有些工地把小塔机当大塔用，故意把力矩限制器的电路撤掉，这是非常危险的，是严重违章行为。
5.2　要保护杆件不要有初弯曲
　　塔机在转移搬运过程中,要特别注意防止碰弯杆件。因为有初弯曲的杆件,其承载能力低于直杆,也就是说,实际上弯杆已经失稳,再承受过大载荷,只会加大弯曲挠度,提早出现破坏。如能发现弯曲,一定要先补强才能继续使用。
5.3　正确执行规定的安装程序
　　严格按使用说明书指定的安装顺序进行安装和拆卸。在塔式起重机使用说明书中,为了防止不平衡力矩过大,在安装平衡臂和起重臂时,明确规定先安装平衡臂,加1～2块平衡重后,再安装起重臂,最后才装上全部平衡重。拆塔时正好相反,一定要先拆平衡重,只留下1～2块,才能拆起重臂。这一安装过程,对塔顶和塔身来说,其受的不平衡力矩是:先后倾,再前倾,最后是后倾。但每种状态,倾翻力矩都在容许范围内。然而由于缺乏理性认识,有些工地对此并不注意,因而引发重大事故,特别是拆塔过程事故更多。例如有一个工地,在安装塔机起重臂时,根部销轴找不到了,就车了两个销轴代用, 塔式起重机安装好后,原配销轴又找到了,就想换下来,这就要拆起重臂。当时有人提醒,要先拆平衡重块,才能拆起重臂。但其负责人嫌麻烦,就叫用汽车吊起吊起重臂,结果造成塔顶后主弦失稳、塔机向后倾倒的严重事故。还有一个单位,在安装塔机时,装完起重臂后,没及时拆掉起升绳卡,就装平衡重,装完平衡重就下班,第二天再去拆起升绳卡。为了把起升绳放松一点,在司机还没来时,安装人员自己去开起升机构,结果正好开反了方向,起升绳不但没放松,反而把吊臂上提,吊臂拉杆靠塔顶的一小段松弛,使对塔顶向前的拉力突然减小,但此时全部平衡重已加上去了,平衡拉杆拉力很大,结果引起塔顶后主弦杆屈曲,顶部向后倾倒（见图6）,平衡臂下砟的重大事故。
5.4　顶升时注意调好平衡
　　在塔机加节顶升时,一定要注意调好前后平衡,要使被顶起的部分的重心大体落在顶升油缸上。办法是:如果重心靠后,一定是顶升套架的前上滚轮与塔身前主弦接触;后下滚轮与塔身后主弦接触。此时慢慢向前移动变幅小车（带所吊的平衡标准节）,使前上滚轮或后下滚轮有一个离开标准节主弦杆就可以了（假定此前滚轮位置基本调得对称）。反之亦然。如果顶升时顶部的平衡调得不好,套架滚轮对标准节主弦杆压力太大,有使主弦杆发生初始弯曲的可能性,这就易引起压杆失稳破坏。
5.5　顶升时要把臂架锁定在正前方
　　顶升时起重臂一定要在正前方,而且一定要锁好回转制动。因为如果偏离正前方,比如说在标准节对角线方向,顶部的不平衡力矩（这在实际上总是存在的）就会由单个滚轮来传递。单根主弦受力就大,而且套架的引入门边框主弦,由于缺少横腹杆支撑,节距较长,长细比较大,所以临界压力较低,比较容易失稳。不太大的前倾力矩,就可能会引发顶部倾翻事故。有一个工地,在给一台25tm塔机顶升加节时,在20多米高处,顶完一个节距后,再顶第二个节距时,因液压系统故障,顶不动了,造成上不能上,下不能下。当时安装人员也很着急,总希望先放下已经顶起的节距,但没有达到目的就天黑了,只好决定第二天再处理。可是又怕晚上刮风,就把回转制动给放松了。第二天上班时,臂架已转到大约90°方向,但还没有出事,可是他们没把臂架转到正方向并锁定,就去拆卸液压泵站。就在拆卸的过程中,受压的引入门边框失稳,导致已顶起的顶部倾倒而造成机毁人亡的特大事故。很可惜！本来这些安装人员还是很小心,也知道横向风力的危险,才放松回转制动。可是处理上并不正确。一是当天应立即清洗液压系统,而不是降塔,只要系统回路一通,问题就好解决了。再是第二天应先使起重臂转到正前方并锁定,才能做其它事。估计他们并不太理会臂架不在正前方而且未制动，对引入门边框受压杆失稳构成多么严重的威慑。
5.6　重视斜拉侧拉的危险性
　　要严禁斜拉、侧拉起吊重物,特别是大幅度起吊时更要注意。因为斜拉、侧拉起吊,除了起重力矩外,臂架还要受到一个水平横向力矩。这个力矩会使臂架根部下主弦杆产生一个较大的压力,大幅度起吊时,起重力矩也使下主弦产生压力,这两个压力叠加,很可能使臂架下主弦杆失稳屈曲,导致侧向折臂,进而前后失去平衡而倒塔（见图7）。
5.7　不可轻易起吊不知重量大小的物品
　　在力矩限制器没有调好或失灵的情况下,大幅度起吊不知重量大小的重物,造成起重力矩失控,很容易导致臂架根部下弦杆或者塔身标准节主弦杆失稳而倒塔（见图5和图7）。
5.8　老塔机要注意磨损对承受力的降低
　　塔机年久失修,臂架下弦杆导轨磨损严重,检查保养又不注意,造成薄弱环节局部抗弯能力大大下降,容易使臂架下弦局部失稳（见图7）,引起折臂倒塔。故塔式起重机应当有报废年限的限制。然而要用户报废塔机却是很难接受的事,因为他们不一定很理解臂架下弦杆磨损对臂架安全威慑的严重性。等出了事才报废损失太大。
5.9　对中低层建筑建议推广应用下回转固定式塔机
　　减少结构部件的内力矩是防止压杆失稳的最有效措施。对承受压、弯联合作用的结构部件,其受压杆件的压力大小主要取决于所在截面的弯矩而不是正压力。因此,在设计构造上要尽量减小结构部件的内力矩。长臂架塔机采用双拉杆,优化吊点位置,其目的都是要减小臂架的内力矩。所以采用长臂架后,折臂现象并不太多。对于塔身来说,只要起吊的不平衡力矩确定以后,对所有上回转塔机,其最大内力矩主要决定于塔身高度。高塔打附着实际也是为了减小塔身内力矩。
　　但对于下回转塔机来说,情况却发生了根本变化。下回转塔机顶部的不平衡力矩,可以由平衡拉杆受拉和塔身受压来传递，一直传到底部的回转支座上（见图8）。塔身以受压为主，再加上一点不太大的附加力矩。这样一来，标准节主弦杆发生失稳屈曲的可能性很小，结构重量就可以减轻。如果底座采用固定式安装，就很难倒塔，可有效提高安全保障。这种比较安全而又轻便的塔机,对12层（36m高）以下的建筑物,很值得推广应用。而这样的建筑物,正是量大面广、到处都有的中、低层建筑。在国外,下回转塔机数量很多,期望中国人也要更新观念,改变现有上回转塔机一统天下的局面。
 

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文章名称：《压杆失稳对塔式起重机安全的威慑》

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