塔式起重機是建設工地上應用最廣、工作空間最大的起重機,因而塔機已為我國的建設事業(yè)做出了重大貢獻。然而,由于塔式起重機安裝得高、臂架伸得長、一般都是現(xiàn)場安裝、施工中要經(jīng)常頂升加高,因而塔式起重機比較容易引發(fā)事故,安全知識就特別重要。盡管從上到下,已一再強調(diào)要注意施工安全,有的地方也組織了培訓班。但是不少單位和機構,在培訓時只重學文件、學制度,技術知識的學習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)查處理多起塔機事故,深感專業(yè)知識的缺乏,對塔機的安全構成重大威懾。引發(fā)塔機事故的因數(shù)多種多樣,在這里,我想先談談壓桿失穩(wěn)對塔式起重機安全的威懾。

1　問題的提出
　　塔式起重機最可怕的事故是出現(xiàn)倒塔。一旦發(fā)生這種事故,往往是機毀人亡,損失慘重。特別是結構件,有的折彎,有的斷開,有的撕裂,真是面貌全非。說句實話,面對這種情況,如果不具備一定的塔式起重機專業(yè)知識,要想對事故進行分析,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)量有問題的結論,這是不太妥當?shù)摹９倘?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,但要做出結論仍然要有充分的事實依據(jù)。特別是對那些使用多年的塔式起重機,或是對那些多年來一直穩(wěn)定批量供貨的材料,要做這樣的結論更應該慎重。因為塔式起重機發(fā)生破壞的因素很多,各種可能因素要進行對比。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,還有屬于連鎖反應引起的,很多人卻看不清。實際上,在塔式起重機結構中,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)對塔式起重機的安全威懾。此外,有限元軟件的推廣應用,有些人只注意計算節(jié)點應力,不進行壓桿局部失穩(wěn)校核,也有可能留下安全隱患,值得提起注意。

2　塔式起重機主要結構部件的受力分析
　　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塔式起重機主要結構部件做出大概的受力分析。
2.1　底架和塔身
　　一臺塔機,不管其受力怎么復雜,但對底架和塔身來說,其上部的載荷都可簡化為一個正壓力和一個彎矩,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。如在對角線平面內(nèi)起吊,則標準節(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號主弦受壓,3號主弦受拉。正壓力和彎矩組合后,1號主弦的壓力是相加的,所以壓力值就特別大,也最危險; 3號主弦的拉力要減去原來的均壓力,所以其拉力值要小于1號主弦的壓力的絕對值,就沒那么危險。所以塔機設計人員最關心的是主弦桿壓力。而一般人員常常以為拉斷才是最危險的,這是一種直觀錯覺。他們不了解受壓的危險性。
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?？梢钥闯? 平衡臂拉桿和起重臂拉桿的合力,對塔頂也構成一個正壓力和一個彎矩。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雜,它與拉桿布置以及起吊位置有關。圖4是一個雙拉桿的起重臂受力分析簡圖。從圖中可以看出:吊臂拉桿和小車牽引繩的水平分力,對吊臂構成一個壓力,而吊臂自重和起吊載荷,使臂架產(chǎn)生鉛直平面內(nèi)彎矩,風力和回轉(zhuǎn)慣性載荷,使吊臂產(chǎn)生水平側向彎矩。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,塔機的主要結構部件,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安全的威懾。

3　結構桿件的承載能力
　　受拉桿件,它的破壞形式可以是塑性伸長、拉斷、或者疲勞開裂。對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。
　　其實桿件局部失穩(wěn)比拉斷要危險得多！那到底什么是局部失穩(wěn)呢？我們知道,拿一根細長桿,上面加壓力,當壓力不大時,桿子是直的,當壓力一步步增加,突然,桿子會變彎,而且會喪失原有的承載能力,這就是局部失穩(wěn)。產(chǎn)生由直變彎的這個壓力就叫臨界壓力。臨界壓力的大小主要取決于桿件的長細比,與微觀結構關系不大。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)就會降低或者喪失承載能力,所以危險性很大。在結構力學上臨界壓力是可以計算的。對于兩端鉸支的桿件，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為桿件長度或結構部件中桿件的節(jié)距
　　在這里的計算式,主要是為了介紹失穩(wěn)的概念和影響因素,更準確的計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。塔式起重機的結構設計特別要注意控制臨界壓力。在設計上,一般用臨界壓力除以桿件截面面積等于臨界應力來控制,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就叫桿件的長細比。
　　可以看到:臨界應力只取決于桿件的彈性模量和長細比λ。
　　所有鋼材,彈性模量都差不多,對局部失穩(wěn)來說,主要就取決于長細比。有的塔機,為了減輕自重,采用了低合金鋼代替普通碳素鋼,這只能提高抗拉強度,并不能提高臨界應力,要提高臨界應力,還是要縮小長細比。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)，其絕對值小于1。對Q235普通碳素鋼和16Mn鋼,對應不同的λ值,有不同的值,設計規(guī)范上有表可查。
我國現(xiàn)有的塔式起重機，結構件多用Q235型鋼焊接而成。Q235為普通碳素鋼材,σS=235MPa,σb=375～460MPa（見GB700-88）; 在塔機設計時,一般取容許應力 [σ]=170MPa 也就是說：
　　滿應力時產(chǎn)生塑性伸長的安全系數(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。例如對標準節(jié)的主弦桿,可以取=0.93～0.97。假如取=0.95,滿應力時壓桿的安全儲備系數(shù)nY=235×0.95/170=1.31倍;就要低于nS和nb。
　　為了更安全,假定在設計時只取:σ壓 =165 MPa
　　這時主弦桿受壓實際的安全儲備為: 235×0.95/165=1.35倍。
　　為了說明問題,我們舉一個實例:
　　假如某臺QTZ80tm塔機,其上部正壓力取40t,則該塔機塔身每根主弦分攤的均壓力就是10t。在滿載條件下,假定受壓主弦的最大計算壓力是80t,則受拉主弦的最大計算拉力就會是60t。當受壓主弦最大壓應力取165 Mpa時，此時受拉主弦最大拉應力僅為: 124 MPa，比壓應力要低得多！
　　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,說明塔機標準節(jié)承載能力主要取決于受壓的主弦桿,是局部失穩(wěn)破壞。對于塔頂和臂架，因為也都是壓、彎聯(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。但塔機出事故時，事實上會看到多處斷裂現(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斷裂不同,現(xiàn)象和真正原因不是一回事。

4　關于質(zhì)量缺陷斷裂和連鎖反應斷裂的區(qū)別
　　當一臺塔機發(fā)生事故后，現(xiàn)場看到的肯定是有結構件斷裂，有桿件彎曲，有焊縫開裂，有的部件完全解體，面貌全非。進行事故原因分析是很困難的工作,必須深入調(diào)查，細致觀察現(xiàn)場情況，從產(chǎn)品設計、材料選擇、焊接質(zhì)量、斷裂面情況、現(xiàn)場操作、使用情況、載荷大小、使用經(jīng)歷、工作年限、安全裝置和工作機構是否正常等各個方面，做出種種可能性設想。再應用科學分析手段，對所觀察到的現(xiàn)象和調(diào)查了解到的情況，進行系統(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想。最終必須找到一個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論。在分析過程中，專業(yè)知識是很重要的，要切忌只看現(xiàn)象、不究實質(zhì)、想當然的輕易下結論。但不管情況怎么復雜，對于結構破壞，最重要的是必須要抓住載荷分析、應力分析和結構承載能力分析，因為任何破壞，總離不開是實際應力超過所能承受的極限應力才能引起。也就是說實際載荷超過了安全儲備范圍。你必須找到引起應力超值的原因。
　　對于承受壓、彎聯(lián)合作用的結構，前面我們已經(jīng)分析過，承受壓力的桿件，其安全儲備系數(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。實際上桿件失穩(wěn)后,開始只是微彎,并不明顯,若現(xiàn)場沒有發(fā)現(xiàn),還會繼續(xù)使用。結果每起吊一次,彎曲撓度就增加一點,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。而對塔身來說,當標準節(jié)主弦彎曲時,該節(jié)距兩端面就會靠攏,塔身上部就會開始傾斜（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！本來受拉主弦連接套附近或結點焊縫附近,就存在不可避免的應力集中,當拉力增大到一定值時,受不了了,就會發(fā)生斷裂。這種斷裂就是連鎖反應斷裂。這只是一種斷裂現(xiàn)象,但不是發(fā)生事故的真正原因。