塔式起重機(jī)是建設(shè)工地上應(yīng)用最廣、工作空間最大的起重機(jī),因而塔機(jī)已為我國(guó)的建設(shè)事業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。然而,由于塔式起重機(jī)安裝得高、臂架伸得長(zhǎng)、一般都是現(xiàn)場(chǎng)安裝、施工中要經(jīng)常頂升加高,因而塔式起重機(jī)比較容易引發(fā)事故,安全知識(shí)就特別重要。盡管從上到下,已一再?gòu)?qiáng)調(diào)要注意施工安全,有的地方也組織了培訓(xùn)班。但是不少單位和機(jī)構(gòu),在培訓(xùn)時(shí)只重學(xué)文件、學(xué)制度,技術(shù)知識(shí)的學(xué)習(xí)并沒有引起足夠重視,使得事故下降并不很明顯。筆者近兩年參于調(diào)查處理多起塔機(jī)事故,深感專業(yè)知識(shí)的缺乏,對(duì)塔機(jī)的安全構(gòu)成重大威懾。引發(fā)塔機(jī)事故的因數(shù)多種多樣,在這里,我想先談?wù)剦簵U失穩(wěn)對(duì)塔式起重機(jī)安全的威懾。

1　問題的提出
　　塔式起重機(jī)最可怕的事故是出現(xiàn)倒塔。一旦發(fā)生這種事故,往往是機(jī)毀人亡,損失慘重。特別是結(jié)構(gòu)件,有的折彎,有的斷開,有的撕裂,真是面貌全非。說句實(shí)話,面對(duì)這種情況,如果不具備一定的塔式起重機(jī)專業(yè)知識(shí),要想對(duì)事故進(jìn)行分析,是件很困難的事。但是,也有些地方在出了事故以后,只要看到發(fā)生了斷裂,就認(rèn)為是質(zhì)量問題。而且特別容易做出材料不合格或者焊接質(zhì)量有問題的結(jié)論,這是不太妥當(dāng)?shù)?。固?材料不合格和焊接不到位的現(xiàn)象是存在的,是事故隱患之一,但要做出結(jié)論仍然要有充分的事實(shí)依據(jù)。特別是對(duì)那些使用多年的塔式起重機(jī),或是對(duì)那些多年來一直穩(wěn)定批量供貨的材料,要做這樣的結(jié)論更應(yīng)該慎重。因?yàn)樗狡鹬貦C(jī)發(fā)生破壞的因素很多,各種可能因素要進(jìn)行對(duì)比。斷裂只是一種現(xiàn)象,不一定是發(fā)生事故的原因。很多人容易看到的只是斷裂現(xiàn)象。但斷裂有內(nèi)在質(zhì)量缺陷引起的,還有屬于連鎖反應(yīng)引起的,很多人卻看不清。實(shí)際上,在塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)中,壓桿失穩(wěn)引發(fā)的事故并不少見,可能比原發(fā)性受拉斷裂還要多,所以我們必須深入了解壓桿失穩(wěn)對(duì)塔式起重機(jī)的安全威懾。此外,有限元軟件的推廣應(yīng)用,有些人只注意計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力,不進(jìn)行壓桿局部失穩(wěn)校核,也有可能留下安全隱患,值得提起注意。

2　塔式起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件的受力分析
　　前面已提到:壓桿失穩(wěn)引發(fā)的事故并不少見,可能比原發(fā)性受拉斷裂還要多。要理解這句話,我們就首先有必要對(duì)塔式起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)部件做出大概的受力分析。
2.1　底架和塔身
　　一臺(tái)塔機(jī),不管其受力怎么復(fù)雜,但對(duì)底架和塔身來說,其上部的載荷都可簡(jiǎn)化為一個(gè)正壓力和一個(gè)彎矩,正如插圖1所示。正壓力使塔身的4根主弦均勻受壓;而彎矩要靠主弦桿有拉有壓來平衡。如在對(duì)角線平面內(nèi)起吊,則標(biāo)準(zhǔn)節(jié)受力如圖2所示,靠臂架一方主弦受壓,靠平衡臂一方主弦受拉。也就是1號(hào)主弦受壓,3號(hào)主弦受拉。正壓力和彎矩組合后,1號(hào)主弦的壓力是相加的,所以壓力值就特別大,也最危險(xiǎn); 3號(hào)主弦的拉力要減去原來的均壓力,所以其拉力值要小于1號(hào)主弦的壓力的絕對(duì)值,就沒那么危險(xiǎn)。所以塔機(jī)設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是主弦桿壓力。而一般人員常常以為拉斷才是最危險(xiǎn)的,這是一種直觀錯(cuò)覺。他們不了解受壓的危險(xiǎn)性。
2.2　塔頂?shù)氖芰Ψ治?br /> 　　塔頂?shù)氖芰χ饕獊碜云胶獗劾瓧U和起重臂拉桿。正如圖3所示。可以看出: 平衡臂拉桿和起重臂拉桿的合力,對(duì)塔頂也構(gòu)成一個(gè)正壓力和一個(gè)彎矩。所以塔頂?shù)氖芰εc塔身類似,也是壓彎聯(lián)合作用,它的主弦桿受力狀態(tài),也是壓力大于拉力。
2.3　起重臂的受力
　　起重臂的受力比較復(fù)雜,它與拉桿布置以及起吊位置有關(guān)。圖4是一個(gè)雙拉桿的起重臂受力分析簡(jiǎn)圖。從圖中可以看出:吊臂拉桿和小車牽引繩的水平分力,對(duì)吊臂構(gòu)成一個(gè)壓力,而吊臂自重和起吊載荷,使臂架產(chǎn)生鉛直平面內(nèi)彎矩,風(fēng)力和回轉(zhuǎn)慣性載荷,使吊臂產(chǎn)生水平側(cè)向彎矩。這些內(nèi)力組合,使起重臂仍然是處于壓彎聯(lián)合作用狀態(tài)。毫無疑問,吊臂主弦的壓力往往也是大于拉力。
　　從以上分析可知,塔機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件,其桿件所受的最大內(nèi)力,往往都是壓力大于拉力,所以要高度注意壓力對(duì)安全的威懾。

3　結(jié)構(gòu)桿件的承載能力
　　受拉桿件,它的破壞形式可以是塑性伸長(zhǎng)、拉斷、或者疲勞開裂。對(duì)拉伸破壞大家都好理解,用不著多說。然而,受壓桿件的破壞形式是什么呢？有的人就不那么清楚了。那就是局部失穩(wěn),或者說局部屈曲。
　　其實(shí)桿件局部失穩(wěn)比拉斷要危險(xiǎn)得多！那到底什么是局部失穩(wěn)呢？我們知道,拿一根細(xì)長(zhǎng)桿,上面加壓力,當(dāng)壓力不大時(shí),桿子是直的,當(dāng)壓力一步步增加,突然,桿子會(huì)變彎,而且會(huì)喪失原有的承載能力,這就是局部失穩(wěn)。產(chǎn)生由直變彎的這個(gè)壓力就叫臨界壓力。臨界壓力的大小主要取決于桿件的長(zhǎng)細(xì)比,與微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。桿件失穩(wěn),或者說屈曲,是突發(fā)性的,沒有聲響,不容易察覺，但一旦失穩(wěn)就會(huì)降低或者喪失承載能力,所以危險(xiǎn)性很大。在結(jié)構(gòu)力學(xué)上臨界壓力是可以計(jì)算的。對(duì)于兩端鉸支的桿件，其臨界壓力：
Pcr=π2EJ/L2 （1）
式中: E為材料彈性模量
J為桿件截面慣性矩
L為桿件長(zhǎng)度或結(jié)構(gòu)部件中桿件的節(jié)距
　　在這里的計(jì)算式,主要是為了介紹失穩(wěn)的概念和影響因素,更準(zhǔn)確的計(jì)算還要考慮別的因素,不是幾句話可以講清楚的,不宜在這里多加論述。塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特別要注意控制臨界壓力。在設(shè)計(jì)上,一般用臨界壓力除以桿件截面面積等于臨界應(yīng)力來控制,記作σcr ,而且一般控制在彈性范圍內(nèi)失穩(wěn),也即取:
σcr= Pcr/F=π2EJ/L2/F （2）
如果令 J=F×i2 代入上式，會(huì)得到
σcr= π2E/（L/i）2 =π2E/λ2 （3）
其中:λ= L/i i就是桿件的慣性半徑，λ就叫桿件的長(zhǎng)細(xì)比。
　　可以看到:臨界應(yīng)力只取決于桿件的彈性模量和長(zhǎng)細(xì)比λ。
　　所有鋼材,彈性模量都差不多,對(duì)局部失穩(wěn)來說,主要就取決于長(zhǎng)細(xì)比。有的塔機(jī),為了減輕自重,采用了低合金鋼代替普通碳素鋼,這只能提高抗拉強(qiáng)度,并不能提高臨界應(yīng)力,要提高臨界應(yīng)力,還是要縮小長(zhǎng)細(xì)比。要想保證在彈性范圍內(nèi)失穩(wěn),就要使σcr＜σS。并且令:=σcr/σS 叫做桿件的穩(wěn)定系數(shù)。在彈性范圍內(nèi)失穩(wěn)，其絕對(duì)值小于1。對(duì)Q235普通碳素鋼和16Mn鋼,對(duì)應(yīng)不同的λ值,有不同的值,設(shè)計(jì)規(guī)范上有表可查。
我國(guó)現(xiàn)有的塔式起重機(jī)，結(jié)構(gòu)件多用Q235型鋼焊接而成。Q235為普通碳素鋼材,σS=235MPa,σb=375～460MPa（見GB700-88）; 在塔機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),一般取容許應(yīng)力 [σ]=170MPa 也就是說：
　　滿應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生塑性伸長(zhǎng)的安全系數(shù)為nS=235/170=1.38;
　　產(chǎn)生斷裂的安全系數(shù)nb=380/170=2.23～2.64;
　　而壓桿穩(wěn)定系數(shù)的選取,與部件受力大小和重要性有關(guān)。例如對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的主弦桿,可以取=0.93～0.97。假如取=0.95,滿應(yīng)力時(shí)壓桿的安全儲(chǔ)備系數(shù)nY=235×0.95/170=1.31倍;就要低于nS和nb。
　　為了更安全,假定在設(shè)計(jì)時(shí)只取:σ壓 =165 MPa
　　這時(shí)主弦桿受壓實(shí)際的安全儲(chǔ)備為: 235×0.95/165=1.35倍。
　　為了說明問題,我們舉一個(gè)實(shí)例:
　　假如某臺(tái)QTZ80tm塔機(jī),其上部正壓力取40t,則該塔機(jī)塔身每根主弦分?jǐn)偟木鶋毫褪?0t。在滿載條件下,假定受壓主弦的最大計(jì)算壓力是80t,則受拉主弦的最大計(jì)算拉力就會(huì)是60t。當(dāng)受壓主弦最大壓應(yīng)力取165 Mpa時(shí)，此時(shí)受拉主弦最大拉應(yīng)力僅為: 124 MPa，比壓應(yīng)力要低得多！
　　主弦拉伸產(chǎn)生塑性變形的安全系數(shù)為: nS=235/124=1.89倍。
　　主弦拉伸產(chǎn)生宏觀斷裂的安全系數(shù)為: nb=380/124=3.06倍，比n壓=1.35 要高得多！所以一般情況下不容易發(fā)生主弦拉伸斷裂。而是主弦桿的局部失穩(wěn)。
　　通過上面的分析,說明塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)承載能力主要取決于受壓的主弦桿,是局部失穩(wěn)破壞。對(duì)于塔頂和臂架，因?yàn)橐捕际菈骸澛?lián)合作用，情況與此類似，往往也是局部失穩(wěn)破壞起主要作用。但塔機(jī)出事故時(shí)，事實(shí)上會(huì)看到多處斷裂現(xiàn)象，這又該怎么看呢？這就需要分清:原始缺陷斷裂和連鎖反應(yīng)斷裂不同,現(xiàn)象和真正原因不是一回事。

4　關(guān)于質(zhì)量缺陷斷裂和連鎖反應(yīng)斷裂的區(qū)別
　　當(dāng)一臺(tái)塔機(jī)發(fā)生事故后，現(xiàn)場(chǎng)看到的肯定是有結(jié)構(gòu)件斷裂，有桿件彎曲，有焊縫開裂，有的部件完全解體，面貌全非。進(jìn)行事故原因分析是很困難的工作,必須深入調(diào)查，細(xì)致觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料選擇、焊接質(zhì)量、斷裂面情況、現(xiàn)場(chǎng)操作、使用情況、載荷大小、使用經(jīng)歷、工作年限、安全裝置和工作機(jī)構(gòu)是否正常等各個(gè)方面，做出種種可能性設(shè)想。再應(yīng)用科學(xué)分析手段，對(duì)所觀察到的現(xiàn)象和調(diào)查了解到的情況，進(jìn)行系統(tǒng)分析和邏輯推理。在分析中，要多提問題，多聽取各方面意見，只要發(fā)現(xiàn)矛盾，要敢于否定自己的設(shè)想。最終必須找到一個(gè)能解釋所觀察到的現(xiàn)象、符合邏輯推理、讓人們能夠接受的分析結(jié)論。在分析過程中，專業(yè)知識(shí)是很重要的，要切忌只看現(xiàn)象、不究實(shí)質(zhì)、想當(dāng)然的輕易下結(jié)論。但不管情況怎么復(fù)雜，對(duì)于結(jié)構(gòu)破壞，最重要的是必須要抓住載荷分析、應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)承載能力分析，因?yàn)槿魏纹茐?，總離不開是實(shí)際應(yīng)力超過所能承受的極限應(yīng)力才能引起。也就是說實(shí)際載荷超過了安全儲(chǔ)備范圍。你必須找到引起應(yīng)力超值的原因。
　　對(duì)于承受壓、彎聯(lián)合作用的結(jié)構(gòu)，前面我們已經(jīng)分析過，承受壓力的桿件，其安全儲(chǔ)備系數(shù)最低，也即破壞往往由壓桿局部失穩(wěn)引起。但桿件失穩(wěn)以后,其承載能力就要下降。實(shí)際上桿件失穩(wěn)后,開始只是微彎,并不明顯,若現(xiàn)場(chǎng)沒有發(fā)現(xiàn),還會(huì)繼續(xù)使用。結(jié)果每起吊一次,彎曲撓度就增加一點(diǎn),彎曲撓度越大,承壓能力就越低,在外載荷不變情況下,受拉主弦的拉力就要增加。而對(duì)塔身來說,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦彎曲時(shí),該節(jié)距兩端面就會(huì)靠攏,塔身上部就會(huì)開始傾斜（見圖5）。在傾斜后起重力矩還要增大,要平衡該起重力矩,受拉主弦的拉力就還要大大增加,這是受壓主弦屈曲后必然發(fā)生的連鎖反應(yīng)！本來受拉主弦連接套附近或結(jié)點(diǎn)焊縫附近,就存在不可避免的應(yīng)力集中,當(dāng)拉力增大到一定值時(shí),受不了了,就會(huì)發(fā)生斷裂。這種斷裂就是連鎖反應(yīng)斷裂。這只是一種斷裂現(xiàn)象,但不是發(fā)生事故的真正原因。