一起塔機(jī)倒塌事故的分析與思考

陳亞文丁克勤周旭升陳家斌

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 長(zhǎng)沙 410013）

（2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

一起塔機(jī)倒塌事故的分析與思考

陳亞文1丁克勤2周旭升1陳家斌1

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 長(zhǎng)沙 410013）

（2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

塔機(jī)在建設(shè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛， 安全事故卻時(shí)有發(fā)生，尤其是安裝、拆卸作業(yè)是風(fēng)險(xiǎn)因素眾多、安全事故易發(fā)的工作。本文通過(guò)對(duì)一起塔機(jī)倒塌事故的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了造成事故的關(guān)鍵因素，即標(biāo)準(zhǔn)節(jié)踏步板焊縫存在嚴(yán)重焊接缺陷，是導(dǎo)致本次倒塌事故發(fā)生的主要原因，提出了加強(qiáng)焊接質(zhì)量檢驗(yàn)、規(guī)范施工安全管理、嚴(yán)格按章操作等預(yù)防措施，對(duì)于有效防范和減少事故的發(fā)生具有重要意義。

塔機(jī) 倒塌事故 配平 回轉(zhuǎn) 焊縫質(zhì)量

近年以來(lái)，隨著我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展和中高層建筑物的日益普及，塔機(jī)在建設(shè)工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。塔機(jī)在帶來(lái)高效和便利的同時(shí)，安全事故卻時(shí)有發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失，尤其是安裝、拆卸作業(yè)往往是事故多發(fā)環(huán)節(jié)，而且常常釀成群死群傷的惡性事故。下面介紹一起塔機(jī)倒塌事故并對(duì)其發(fā)生的原因進(jìn)行分析和說(shuō)明，希望能借此對(duì)塔機(jī)安全生產(chǎn)提供一些有益的建議和思考。

1 事故概述

2012年3月1日下午4時(shí)左右，某在建安置小區(qū)4#棟建筑物北側(cè)，一臺(tái)塔機(jī)在頂升加節(jié)過(guò)程中突然發(fā)生倒塌，造成1人當(dāng)場(chǎng)死亡，3人重傷的起重機(jī)械傷害事故。事故塔機(jī)型號(hào)規(guī)格：QTZ40A（TC4708）；基本參數(shù)：額定起重力矩400kN.m，最大起重量4t，獨(dú)立高度28m，工作幅度2.5～47m；產(chǎn)品出廠(chǎng)日期：2006年9月21日。

2 事故基本情況

2.1 現(xiàn)場(chǎng)勘察情況

1）事故塔機(jī)安裝在4#棟建筑物北側(cè)，該建筑物設(shè)計(jì)高度為6層，事故發(fā)生時(shí)第4層已完成封頂施工。當(dāng)時(shí)已安裝完成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)12節(jié)；起重臂8節(jié)，共47m；平衡臂2節(jié)，共11.81m。頂升加節(jié)作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)下小雨，無(wú)大風(fēng)（風(fēng)力小于4級(jí)），塔機(jī)頂升加節(jié)的方位如圖1所示。

圖1 塔機(jī)安裝方位示意

2）事故發(fā)生后，塔身整體向西南方向傾斜，斜靠在4#棟建筑物墻體上。從第10節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)算起（從塔身基礎(chǔ)節(jié)往上數(shù)），上部塔身均出現(xiàn)不同程度的彎曲變形，其中，第11節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)出現(xiàn)了嚴(yán)重?cái)D壓變形；第12節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)彎折向下后相對(duì)原位置朝西南方向形成了一定角度的扭轉(zhuǎn)變形，頂部三個(gè)定位銷(xiāo)斷裂并脫落，西南側(cè)主弦桿下端踏步板整體撕裂后脫落墜地。該踏步板形貌基本保持完整，無(wú)外力撞擊痕跡和擠壓變形現(xiàn)象，主弦桿表面對(duì)應(yīng)焊縫撕裂處無(wú)明顯變形（見(jiàn)圖2）。

圖2 踏步板脫落位置

3）起重臂側(cè)翻在4#棟建筑物南向樓板和東向地面上；平衡臂、塔帽、回轉(zhuǎn)總成連同套架一起傾翻后倒插在塔身南向靠墻位置；拉桿嚴(yán)重彎曲變形但未斷裂；套架與回轉(zhuǎn)總成部份的連接基本保持完整，其中，四根主弦桿均有明顯的擠壓痕跡和彎折變形現(xiàn)象，西南向主弦桿導(dǎo)向滾輪下部及橫腹桿均已斷裂， 兩只導(dǎo)向滾輪受擠壓失效脫落后墜地（見(jiàn)圖3）。

圖3 套架失穩(wěn)和破壞情況

4）頂升橫梁支撐銷(xiāo)無(wú)明顯彎曲變形現(xiàn)象和沖擊碰撞痕跡，活塞桿伸出長(zhǎng)度實(shí)測(cè)為870mm，平衡閥無(wú)異常，液壓管路無(wú)泄漏、無(wú)損壞；泵站外觀檢查正常；下支座標(biāo)準(zhǔn)節(jié)三個(gè)連接頭有明顯碰撞痕跡，其中兩個(gè)連接頭（西向）呈現(xiàn)出近似對(duì)稱(chēng)性撕裂形貌［見(jiàn)圖4（a）和圖4（b）］。

圖4 下支座連接頭撕裂形貌

5）載重小車(chē)結(jié)構(gòu)基本完好，小車(chē)中心距離起重臂臂根鉸點(diǎn)18.5m；起升、變幅鋼絲繩無(wú)脫槽和斷裂現(xiàn)象；制動(dòng)裝置呈良好閉合狀態(tài)；吊鉤防脫鉤裝置完好，吊鉤上未掛重物。

6）塔身底架東向地面發(fā)現(xiàn)有2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，其中第14節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)保持豎立正置，結(jié)構(gòu)完好無(wú)損，距離塔身回轉(zhuǎn)中心9m。該標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為角鋼結(jié)構(gòu)，橫截面尺寸為1450mm×1450mm，高度為2200mm，上下兩個(gè)踏步板之間的間距為1100mm。第13節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)底部橫腹桿受沖擊變形較大，整體朝東北向斜躺在地面，近端和遠(yuǎn)端距離回轉(zhuǎn)中心分別為5.2m和7.1m，附近有兩根引進(jìn)滾輪軸。

7）第4節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)處的附墻桿被強(qiáng)行從墻體中拉出；塔身西南向的一根斜支撐受壓后屈曲失穩(wěn)墜地；東北向基礎(chǔ)節(jié)地腳螺栓處角鋼受拉后完全撕裂。

2.2 踏步板（見(jiàn)圖5）取樣分析報(bào)告結(jié)果表明：

1）母材厚度為20mm，有效焊縫長(zhǎng)度為138mm。

2）材質(zhì)為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（Q235B），化學(xué)成分分析和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求；

3）焊縫存在密集氣孔和中部未焊透（熔合寬度不夠）、魏氏組織等焊接缺陷；

圖5 失效踏步板焊縫質(zhì)量情況

3 事故分析和說(shuō)明

1）根據(jù)某金屬質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心出具的《焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告》，此焊縫存在未焊透（熔合寬度不夠）、焊縫端頭存在密集型氣孔，焊縫金屬中分布著較多氣孔，焊縫根部存在未熔合等缺陷。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明焊縫組織粗大，有較嚴(yán)重的魏氏組織。經(jīng)外觀檢驗(yàn)，結(jié)合踏步板制造圖樣分析可知，焊縫鈍邊尺寸明顯偏大，焊縫中間未焊透寬度最大為11mm，最小為6.5mm，顯然不符合制造圖樣和設(shè)計(jì)規(guī)范（兩條焊縫間未熔透的寬度≤3mm［1］）的要求。

（1）從制造工藝上來(lái)看，造成未焊透是由于K型坡口加工角度不合適，鈍邊尺寸太大造成；低碳鋼焊接形成魏氏組織是由于施焊時(shí)線(xiàn)能量輸入過(guò)高，過(guò)熱嚴(yán)重造成［2］，顯然是焊接工藝不當(dāng)所致；未焊透和氣孔的直接危害是大大減少承載截面積，引起嚴(yán)重應(yīng)力集中，降低焊接接頭的力學(xué)性能［2］；魏氏組織的存在使焊接熱影響區(qū)性能變差，韌性急劇下降，接頭脆性增大［2］。

（2）現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)情況表明：踏步板焊縫撕裂處的主弦桿表面無(wú)明顯變形，說(shuō)明焊接接頭脆化十分嚴(yán)重。由于踏步板焊縫質(zhì)量存在嚴(yán)重缺陷，焊縫抗剪強(qiáng)度明顯不足，承載能力很弱，在巨大傾覆力矩和沖擊力作用下，極易發(fā)生強(qiáng)度破壞而失效。

2）現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)情況和計(jì)算分析表明：事故發(fā)生時(shí)，載重小車(chē)并不在規(guī)定的配平位置，吊鉤上未掛任何重物，說(shuō)明本次頂升是在未配平情況下進(jìn)行的。因前后力矩嚴(yán)重不平衡（即∑M≠0），傾覆力矩施加在套架上，塔機(jī)上部快速墜落過(guò)程中套架承載后發(fā)生屈曲失穩(wěn)。

（1）頂升時(shí)，塔機(jī)上部構(gòu)件質(zhì)量對(duì)油缸中心形成的偏心彎矩是：后傾彎矩依靠平衡臂、平衡重及起升機(jī)構(gòu)等質(zhì)量形成，而前傾彎矩主要依靠起重臂、起重臂拉桿、變幅機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，這些構(gòu)件對(duì)軸心形成的彎矩是靜態(tài)不變的，為保持平衡狀態(tài)，需要通過(guò)配平的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。而配平（起重小車(chē)在規(guī)定的適當(dāng)位置，起吊一定的荷載并根據(jù)實(shí)際頂升情況進(jìn)行位置微調(diào)），就能改變前傾彎矩的大小，使∑M=0。根據(jù)設(shè)計(jì)文件和現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)情況，計(jì)算結(jié)果表明：不配平時(shí)，事故塔機(jī)平衡臂側(cè)后傾彎矩約為828kN·m，而起重臂側(cè)的前傾彎矩約為618kN·m，兩者相差為210kN·m，平衡臂側(cè)后傾彎矩大于起重臂側(cè)前傾彎矩。

（2）不配平頂升時(shí)，因上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差，只要出現(xiàn)任何附加扭矩，或者突刮陣風(fēng)（現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速符合頂升作業(yè)環(huán)境規(guī)定，已排除此情況），就會(huì)造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。從套架結(jié)構(gòu)來(lái)看，其前側(cè)面上部開(kāi)有較大尺寸的引進(jìn)窗口，剛性削弱較多，抗彎能力有限，基本上不能承受任何扭矩。從套架設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)看，一般是在考慮上部荷載配平后對(duì)于油缸頂升支承點(diǎn)的彎矩為零、只承受油缸側(cè)面頂升時(shí)彎矩的情況下來(lái)考慮的；若超出其所能夠承受的彎矩范圍，在上部結(jié)構(gòu)的重壓下，將導(dǎo)致套架失穩(wěn)。從套架破壞情況（見(jiàn)圖3）來(lái)看，上部結(jié)構(gòu)快速墜落并傾翻過(guò)程中，套架主弦桿產(chǎn)生了屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，剛性較弱的套架在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿反作用力（不平衡力矩造成）的擠壓作用下，踏步板側(cè)（西向）主弦桿和橫腹桿強(qiáng)度遭到擠壓破壞而斷裂，從而加速了上部結(jié)構(gòu)傾翻的進(jìn)程。

3）根據(jù)QTZ40A塔機(jī)安裝作業(yè)程序的規(guī)定，頂升過(guò)程分兩步進(jìn)行，第一步頂升時(shí)頂升橫梁支撐銷(xiāo)擱入第11節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上端踏步板弧形槽，此時(shí)油缸頂升行程（油缸總行程1320mm），略大于相鄰2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)踏步板之間的距離（即＞1100mm）；第二步再次頂升時(shí)須縮回油缸活塞桿，將支撐銷(xiāo)擱入第12節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)下端踏步板弧形槽中，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的全部重力和彎矩將通過(guò)油缸傳遞給塔身后依靠?jī)蓚€(gè)踏步板來(lái)分別承擔(dān)，現(xiàn)進(jìn)一步分析傾翻過(guò)程大致如下：

（1）頂升換步時(shí)（此時(shí)油缸活塞桿剛好回縮到伸出長(zhǎng)度為870mm），由于第12節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)下端踏步板存在嚴(yán)重焊接缺陷而被剪切撕裂（檢查脫落的踏步板發(fā)現(xiàn)其并無(wú)任何碰撞痕跡和擠壓變形現(xiàn)象，說(shuō)明該踏步板承載后其強(qiáng)度迅速喪失貽盡而失效，而并非是在上部結(jié)構(gòu)傾翻后被外物擠壓或撞擊而失效的），油缸以上部分瞬間失去一側(cè)支撐而失去平衡。上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)急速下墜現(xiàn)象，頂部（第12節(jié)）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿定位銷(xiāo)撞入下支座連接頭中并被強(qiáng)大的沖擊力撞斷。

（2）由于未配平和單側(cè)踏步板失效脫落而造成的重心變化，上部結(jié)構(gòu)快速下墜后無(wú)法保持自身平衡而向西南向傾翻，繼而套架主弦桿發(fā)生失穩(wěn)斷裂，平衡臂通過(guò)拉桿帶動(dòng)臂架翻轉(zhuǎn)使傾覆力矩繼續(xù)增大，下支座主弦桿連接頭被強(qiáng)行剪切撕裂開(kāi)來(lái)，上部結(jié)構(gòu)加速傾翻。

（3）在強(qiáng)大的傾覆力矩和沖擊力作用下，在附墻桿、斜撐桿、基礎(chǔ)節(jié)相繼失穩(wěn)破壞后，塔身整體向西南向傾斜，其中第12節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)被迫隨臂架翻轉(zhuǎn)而出現(xiàn)了一定程度的扭轉(zhuǎn)變形。上部結(jié)構(gòu)連同套架一起從上部塔身中滑落而出，最終導(dǎo)致了本次倒塌事故的發(fā)生。

4 事故結(jié)論

1）標(biāo)準(zhǔn)節(jié)踏步板焊縫存在嚴(yán)重焊接缺陷，是導(dǎo)致本次倒塌事故發(fā)生的主要原因；

2）在頂升作業(yè)時(shí)未按要求進(jìn)行配平而違規(guī)作業(yè)，是事故發(fā)生的次要原因。

5 事故警示及預(yù)防措施

焊接質(zhì)量是影響塔機(jī)安全性能的重要因素，由焊接質(zhì)量不合格誘發(fā)的塔機(jī)事故不在少數(shù)。本例中就是由于踏步板存在嚴(yán)重焊接缺陷直接引發(fā)了倒塌事故的發(fā)生，教訓(xùn)極其深刻。因此，建議制造單位應(yīng)嚴(yán)格按照安全技術(shù)規(guī)范和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)塔機(jī)焊接工藝、焊接材料進(jìn)行科學(xué)、合理的評(píng)定、制定和選用，尤其是要切實(shí)加強(qiáng)對(duì)踏步板、頂升套架等主要承載構(gòu)件焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)工作，對(duì)設(shè)計(jì)要求須進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的焊縫一定要嚴(yán)格按技術(shù)規(guī)程進(jìn)行檢測(cè)。制造單位應(yīng)認(rèn)真把好塔機(jī)出廠(chǎng)前的產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)處理，把安全隱患消滅在萌芽狀態(tài)。此外，在塔機(jī)使用過(guò)程中，由于超載、疲勞、維護(hù)保養(yǎng)不良等不利因素，即使制造過(guò)程中遺留下來(lái)的未超標(biāo)焊接缺欠也會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸暴露出來(lái)或進(jìn)一步擴(kuò)大，或產(chǎn)生新的缺陷（疲勞裂紋等），從而給塔機(jī)運(yùn)行帶來(lái)新的安全風(fēng)險(xiǎn)，所以還需要加強(qiáng)對(duì)在用塔機(jī)的焊接質(zhì)量檢驗(yàn)，才能真正有效地防范和降低塔機(jī)事故的發(fā)生。

塔機(jī)是危險(xiǎn)性較大的一類(lèi)特種設(shè)備，事故的發(fā)生往往是多種不利因素綜合而成的后果。事實(shí)證明：塔機(jī)安裝、拆卸、頂升和降節(jié)作業(yè)均是安全事故易發(fā)的環(huán)節(jié)，施工單位須特別加以重視，認(rèn)真吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，配備責(zé)任心強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，不斷強(qiáng)化施工過(guò)程的安全監(jiān)控；同時(shí)，作業(yè)人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行安全技術(shù)規(guī)范及其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，切實(shí)遵守安全操作規(guī)程，才能保證塔機(jī)安全、可靠地運(yùn)行。

［1］ GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［2］ 李亞江，等.焊接缺陷分析與對(duì)策［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［3］ 陳本瑤，等.一起港口固定式起重機(jī)整體傾覆事故的分析［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2011，（9）：80-82.

［4］ 劉佩衡.塔式起重機(jī)使用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［5］ GB 5144—2006 塔式起重機(jī)安全規(guī)程［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［6］ JG/T 100—1999 塔式起重機(jī)操作使用規(guī)程［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［7］ TSG Z0006—2009 特種設(shè)備事故調(diào)查處理導(dǎo)則［S］.

Analysis and Thinking on a Tower Crane Collapsed Accident

Chen Yawen1Ding Keqin2Zhou Xusheng1Chen Jiabin1
（1. Hunan Special Equipment Inspection & Testing Research Institute Changsha 410013）
（2. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029）

Tower cranes are widely used in construction engineering. However， safety accidents often occur especially in the process of installation and disassembly. The paper analyzes the cause of a tower crane collapsed accident， to fi nd the key cause resulting in the accidents. The main cause of the collapsed accident is that serious weld defect exists in the tread weld of the standard section. And it also provides corresponding precautions， such as to strengthen specifi cation to the weld quality inspection， to standard safety management of construction， and to observe the rules for safe operation. The result has important significance for preventing and reducing the occurrence of accidents.

Tower crane Collapsed accident Balancing Rotary Weld quality

X941

B

1673-257X（2015）05-67-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.05.015

陳亞文（1974～），男，本科，工程師，主要從事機(jī)電類(lèi)特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

2015-03-31）