陳亞文 丁克勤 周 萍 周旭升

1.湖南省特種設備檢驗檢測研究院 2.中國特種設備檢測研究院

某高速公路特大橋建設工程是國內重點工程項目，使用單位為了滿足工程的需要購買了一臺國產普通塔式起重機，型號規(guī)格為QTZ63（TC5013B），2005年6月出廠，經安裝調試、驗收合格后交付使用。9月15日，在特大橋4＃橋墩安裝過程中，該塔機在頂升完成第13節(jié)標準節(jié)時，由于頂升電機意外出現故障，不能進行頂升加節(jié)作業(yè)，在等待維修期間發(fā)生了整機傾覆事故，造成2人死亡、2人重傷、塔機整體毀損的嚴重后果。

1 事故勘驗情況

（1）整機傾翻后，標準節(jié)踏步板方向朝南，引進平臺朝北。

（2）吊鉤上未掛任何荷載（空鉤狀況），地面未見配平用的一節(jié)標準節(jié)或其它重物。

（3）第1節(jié)塔身（標準節(jié)）基本完好，無明顯變形和損壞。

（4）從第6-13節(jié)標準節(jié)側向平面相對于原安裝位置扭轉了60°左右。

（5）第13節(jié)標準節(jié)與回轉下支座未見高強螺栓副連接；踏步板側靠右主弦桿向塔身內彎曲；非踏步板側主弦桿（方管，規(guī)格為135mm×135mm×10mm）靠下部導輪位置存在一處變形尺寸深達21mm的壓痕，主弦桿管壁已被完全壓穿。

（6）爬升架毀損嚴重，導輪受到擠壓后變形嚴重，其中兩只導輪失效脫落后墜地，表面留下的擠壓印痕很深。

（7）液壓頂升機構電機已燒毀損壞，檢測發(fā)現三組繞組線圈中有兩組開路，已不具備使用性能。

2 事故原因分析

2.1 技術鑒定

某機械產品質量司法鑒定中心對該事故塔機第13節(jié)標準節(jié)主弦桿取樣做了材質化學成分分析與力學性能試驗，鑒定結果為合格。

標準節(jié)主弦桿材質的化學成分符合設計要求（碳素結構鋼Q235B）；力學性能指標σs、σb在合格范圍內，而延伸率指標稍低，原因在于該試驗樣品取自事故狀態(tài)的塔機，非正常使用狀態(tài)導致材料出現冷作硬化，材料延伸率降低。

在頂升動態(tài)工況下，標準節(jié)主弦桿的材料強度、剛度沒出問題，在非工作狀態(tài)下（維修等待期間）理應更能滿足要求。

2.2 技術指標及規(guī)程

QTZ63（TC5013B）塔機使用說明書規(guī)定：頂升作業(yè)前應使用回轉制動器將塔機回轉支承上部機構處于制動狀態(tài)；載重小車吊起一節(jié)760kg標準節(jié)，停在頂升配平位置；開動液壓頂升系統，將爬升架及其以上部位頂起10～50mm時停止，檢查頂升橫梁等，爬升架傳力部件是否有異響、變形，油缸活塞桿是否有自動回縮現象，確認正常后，繼續(xù)頂升；在頂升過程中，若發(fā)現系統出現異常，應立即停止頂升并收回油缸，將下支座落在塔身頂部，并用高強螺栓將下支座與塔身連接牢靠后，再排除液壓系統故障。

塔機安全操作規(guī)程表明：在塔機頂升加節(jié)過程中，當下支座脫離了塔身頂部且未用螺栓連接好時，此時起重臂不允許回轉，載重小車不允許進行任何變幅和吊裝作業(yè)。

2.3 現分析說明理由

根據結構力學原理，塔機的爬升架為空間桁架結構，為簡化計算過程，可分解成平面桁架來進行受力分析。

根據該事故塔機設計圖樣和產品使用說明書，回轉以上部分及爬升架質量為G＝37.5t，爬升架寬度B=1.993m，爬升架高度5.98m，標準節(jié)寬度b=1.6m，標準節(jié)高度h=2.8m。

頂升加節(jié)過程中，塔機上部結構的受力分析如下：

配平頂升時：（正常情況之下，爬升架16個導輪無須考慮徑向壓力）。爬升架僅受到頂升油缸一個向上的力F1（F1=G），根據力學原理，頂升換步時標準節(jié)上一對承力踏步板同樣也只受到來自頂升橫梁傳遞的力F2（F2=G），每個踏步板按照各自承擔G/2計算。

未配平頂升時：由于上部結構重心位置相對于頂升油缸中心存在一定的偏心距離，根據力學原理，當作用力不在軸心時，勢必產生偏心力矩M1。根據產品說明書和相關計算結果可知，在不配平頂升時，前后不平衡力矩大小為24.835t·m，上部結構重心偏離在頂升油缸右側平衡臂位置。因此，不配平產生的偏心彎矩M1為-24.835t·m（規(guī)定：順時針為負），該力矩通過前、后兩片平面桁架的四個導輪（上、下各兩個）形成兩個力偶，產生徑向壓力并通過導輪傳遞給標準節(jié)主弦桿。那么，相應承受壓力的標準節(jié)產生反作用力并形成兩個反向力偶，使塔機上部結構處于一種并不穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。這兩個力偶分別承擔M1/2，各自作用于套架前后兩片平面桁架的平面內，此時桁架起到水平抗彎作用，但套架受力狀況惡化，上部結構穩(wěn)定性變差，且存在一個順時鐘方向（平衡重方向）的傾翻趨勢。

在事故狀態(tài)下［即頂升時下支座已經完全脫離塔身頂部，且未連接螺栓，未按要求進行配平（在規(guī)定位置，吊鉤上掛配平用標準節(jié)）并回轉的情況下］，排除了強對流氣候可能造成龍卷風攪動起重臂的因素，現分析人為回轉起重臂的結果：

從正常頂升位置作順時針（或逆時針）回轉，在0～90°范圍內回轉時：除G以外還將產生一個力矩M2，因此傾覆力矩M=M1+M2，M2=G乘以回轉后產生的實際力臂長。

那么，在45°時，力矩M產生的彎矩分解成兩個力偶，但未完全作用在前后兩個平面桁架的平面內；而在90°時，彎矩由前后兩個平面桁架承擔，且作用在桁架平面內。

由上述計算結果可知，不配平頂升過程中，只要起重臂發(fā)生回轉，傾覆力矩將繼續(xù)增大；當回轉角度達到135°時，力臂Lmax=2.236m，所增加的力矩M2為83.56t·m，此時傾覆力矩Mmax=M1+M2=108.39t·m，加之該合力矩并不完全作用于前后兩個平面桁架的平面內，尤其是引進平臺側（前平面桁架）上半部開了一個較大尺寸的引進窗口，剛性削弱很多，力學上屬于常變體系，相對其它三個平面桁架（左、右、后）而言，其水平抗彎剛度較差，在過大的傾覆力矩作用下勢必失穩(wěn)傾翻。

因此，事故狀態(tài)下，當發(fā)現事故塔機液壓頂升系統電機意外燒毀，油缸不能回縮的情況后，因此時下支座與塔身螺栓完全拆開分離，爬升架承受了全部重力和彎矩，塔機上部結構的穩(wěn)定性較差，根本不能承受任何附加的扭矩，起重臂（上部結構）絕對不能進行回轉。

2.4 傾翻過程分析

（1）現場勘驗情況分析表明，標準節(jié)主弦桿踏步板側導輪處出現不對稱性向內屈曲失穩(wěn)，對角線上（引進平臺側）靠下部導輪處出現很深的壓痕，巨大的傾覆力矩帶來的擠壓應力導致主弦桿管壁被完全壓穿，計算分析說明回轉角度a應在120°～135°之間。

（2）在起重臂回轉過程中，隨著傾覆力矩的不斷增加和上部結構重心的變化，爬升架與第13節(jié)標準節(jié)強度先后遭到破壞。爬升架主弦桿首先出現屈曲失穩(wěn)，導輪受到過大擠壓力作用而失效脫落，繼而塔身無法支撐住巨大的傾覆力矩發(fā)生屈曲失穩(wěn)，最終導致了整機的傾覆。塔身傾覆時，第6-13節(jié)標準節(jié)在臂架翻轉的帶動下被迫順時針扭轉了60°左右，最后形成了與正常頂升方向位置相反的傾覆形貌，與現場勘驗結果是完全一致的。

（3）第14節(jié)標準節(jié)(引進平臺上待引進標準節(jié))翻滾墜落后被遠遠地拋到4＃橋墩空腔中，完全偏離了正常頂升加節(jié)時對應的方位，也證明了當時起重臂發(fā)生了順時針方向的回轉。

（4）整體傾覆后，平衡臂從正常頂升加節(jié)位置（南側）失穩(wěn)傾翻后墜落到相反的方向（北側），也進一步證明了當時上部結構（起重臂）確實進行了順時針方向的回轉。

3 經驗教訓

（1）在事故塔機頂升加節(jié)作業(yè)過程中，當液壓頂升系統出現故障后，作業(yè)人員未按照安全操作規(guī)程的要求及時處理，反而違規(guī)進行了回轉作業(yè)，是導致本次傾覆事故發(fā)生的主要原因。

（2）頂升前沒有按照使用說明書的規(guī)定進行配平，是事故塔機發(fā)生整機傾覆的次要原因。

[1]特種設備安全監(jiān)察條例.國務院令549號,2009

[2]郭鵬偉,劉振剛,王磊.冶金起重機事故分析及安全檢驗[J].起重運輸機械,2014,（10）:105-109

[3]胡宗武.起重機設計和實例[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009

[4]中國機械工業(yè)聯合會.GB 5144-2006 塔式起重機安全規(guī)程[S].北京:中國標準出版社,2006

[5]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB 6067.1-2010 起重機械安全規(guī)程 第Ⅰ部分:總則[S].北京:中國標準出版社,2010

[6]中華人民共和國建設部.JG/T 100-1999 塔式起重機操作使用規(guī)程[S].北京:中國標準出版社,1999

[7]中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 700-2006 碳素結構鋼[S].北京:中國標準出版社,2006