曾舜安  胡道權  劉軼華  陳?成

(國家建筑城建機械質量監督檢驗中心，湖南長沙 410013)

摘　要：2020年4月，湖南某市一建設工地的QTZ63塔機在使用時倒塌。為查明事故原因，國家建筑城建機械質量監督檢驗中心受當地應急管理部門委托，對事故進行技術分析。國檢中心技術專家經現場勘驗、實驗室檢測和技術分析，確認事故塔機標準節主弦桿因疲勞累積損傷產生大面積陳舊性斷面，造成該標準節整體承載能力顯著降低，是導致該塔機整機倒塌的直接原因。

關鍵詞：標準節主弦桿;連接套;疲勞

中圖分類號：TH213.3     文獻標識碼：B

　　2020年4月，湖南某市一建設工程工地1#塔機在吊運一斗砂漿到一號樓三層卸料平臺，在剛剛卸料完后，發生了塔機標準節斷裂，塔機朝平衡臂方向后翻倒塌，起重臂砸向二號樓七層樓面，造成該塔機司機受傷和二號樓七層樓面一名鋼筋班工人死亡。

　　為了查明事故原因，根據當地人民政府成立的事故調查組安排，由市應急管理部門委托國家建筑城建機械質量監督檢驗中心對該塔機倒塌事故原因進行現場勘驗、實驗室檢測和技術分析。

1 現場勘驗

　　經當地應急管理部門組織協調，2020年4月28日?29日，國家建筑城建機械質量監督檢驗中心派出技術專家組，對事故塔機進行了現場勘驗和試件取樣。

1.1 現場勘查

　　(1)事故塔機安裝在某建設工程工地一號樓的東面，塔機附著式安裝，塔身從下至上安裝有：底節1節、加強節1節、標準節11節。共安裝了一道附著架，該附著架安裝在第2節標準節上部接近連接套位置，附著架以上懸臂部分安裝了9節標準節和塔機上部結構。事故塔機從附著架上方第2節標準節(從塔機基礎往上數第4節標準節)四根主弦桿上部連接套接頭位置斷裂，斷口以上塔身自折斷處倚靠在直立著的塔身頂部，起重臂后翻，臂架部分結構砸在二號樓七層樓面上，平衡臂尾端砸在地面上，塔身斷口以上結構傾覆于事故塔機安裝位置的正南面，幾乎自北向南在一直線上(圖1)。

圖1 事故現場圖

　　因事故救援需要以及為了消除次生、衍生事故隱患，專家組在進入現場勘驗前，事故塔機已基本拆除，僅在原安裝位置保留有1節底節，被拆除部分存放于現場特定區域。

　　(2)事故塔機塔身底節上安裝有產品銘牌，銘牌上標示有：產品型號、特種設備制造許可證編號、公稱起重力矩、最大額定起重量、起升高度、起重臂長、相應平衡重、出廠編號、制造日期、生產廠家等信息。

　　(3)事故塔機平衡臂設置有配重塊6塊，事故發生后其中2塊仍固定在平衡臂上，其余4塊脫離平衡臂貫穿地面落入地下室。

　　(4)力矩限制器、起重量限制器外觀基本保持完好，但連接線被扯出。

　　(5)在對塔身底節及已拆除的加強節、標準節勘查時發現：第2節標準節西北角主弦桿(靠近附著架位置，塔身懸臂部分的根部)有兩條陳舊性裂紋，裂紋出現在上部連接套焊縫附近位置(見圖2、圖3、圖4)。其它各節主弦桿連接套接頭部位無可見裂紋，連接套焊縫質量無明顯缺陷。

　　(6)事故塔機制造日期：2013年7月1日，至事故發生時的使用年限為6年多;該塔機自2019年9月20日安裝在本建設工程工地使用。

　　(7)事故塔機平面位置圖(見圖5)。

圖5?事故塔機平面位置圖

1.2 現場測量

　　(1)標準節外形尺寸

　　標準節截面外緣尺寸(長×寬)：1494mm×1494mm，標準節高：2900mm;

　　標準節主弦桿截面尺寸□120mm×120mm×12mm(焊接方管)。

　　(2)底節、加強節外形尺寸

　　底節截面外緣尺寸(長×寬)：1494mm×1494mm，底節高：8700mm;

　　加強節截面外緣尺寸(長×寬)：1494mm×1494mm，加強節高：2900mm。

　　(3)事故塔機最后一吊工作幅度

　　攪拌機卸料口至塔機回轉中心水平距離：38.5m;

　　一號樓三層卸料平臺中心至塔機回轉中心水平距離：11.6m;

　　從拆除的起重臂上測量變幅小車中心位置至塔機回轉中心水平距離：10.0 m;

　　最后一吊工作幅度：38.5m?11.6m。

　　(4)事故塔機最后一吊起重量

　　350攪拌機一罐砂漿重量：0.35 m3×1900kg/m3=665kg(砂漿密度1800kg/m3?1900kg/m3，取1900kg/m3計算);

　　砂漿卸料斗自重：150kg(0.6 m3斗自重約150kg);

　　最后一吊起重量：665kg+150kg=815kg。

　　(5)起重臂長度測量

　　經現場勘查、測量，事故塔機起重臂由5節組成，起重臂長度：50m。

　　(6)塔機附著架距基礎面高度：17.1m。

　　(7)塔機附著架以上安裝有9節標準節，起重臂下弦桿至附著架上端面距離：2.9m×9+3.2m=29.3m。其中3.2m為回轉塔身、上下支座高度。

　　(8)勘驗人員查閱了委托方提供的使用說明書，并對事故塔機勘驗情況與使用說明書提供的信息進行了核對。經核查，事故塔機標準節、加強節、底節主弦桿為方管，與使用說明書中標準節、加強節、底節主弦桿為角鋼不符;事故塔機底節高度、加強節節數、起重臂節數等也與使用說明書存在差異;使用說明書中有關配重塊數量與重量、加強節節數、起升高度、附著架安裝間距及自由端高度等，前后也不一致，個別數據還有錯誤。由于使用說明書存在諸多問題，給此次事故技術分析完整性帶來一定影響。如附著架以上自由端高度是否超出原設計值就難以確認。

　　現場測量結果表明：事故塔機最后一吊起重量為815kg，最后一吊工作幅度不大于38.5m，根據該型號塔機起重性能，工作幅度50m時對應的額定起重量為1300kg，顯然未超載。事故過程也表明，塔機是在最后一吊完成后，即卸載后傾覆的。

2 斷口檢查及標準節斷裂主弦桿試件材質檢驗

2.1 斷口檢查

　　(1)事故塔機從附著架上方第2節標準節(從塔機基礎往上數第4節標準節)四根主弦桿上部連接套接頭位置斷裂(斷口(下)見圖6、斷口(上)見圖7)。

　　(2)事故塔機使用桁架結構的塔身，塔身標準節由4根主弦桿和腹桿(水平、斜支撐桿)組成，主弦桿為方管結構，每根主弦桿靠近上下端位置焊有兩個連接套，連接套布置形式如圖8所示。

　　(3)事故塔機塔身標準節的連接采用高強螺栓連接。具體連接方式為將高強螺栓上下兩個塔身標準節連接套孔，按照螺栓緊固的要求將每個螺栓擰緊到規定力矩，從而將塔身標準節相互間連成一個整體，實現載荷的無沖擊傳遞，高強螺栓主要承受拉壓應力作用。

　　(4)事故塔機塔身標準節連接套的連接采用端面無間隙對接方式。

　　(5)檢查3#、4#主弦桿斷口發現：3#、4#主弦桿斷口連接套與主弦桿焊接熱影響區出現有陳舊性斷面。

圖8 連接套布置形式

　　(6)1#、2#主弦桿斷口陳舊性斷面相較于3#、4#主弦桿斷口陳舊性斷面嚴重。1#主弦桿斷口上約1/3面積為陳舊性斷面，2#主弦桿斷口銹蝕，經清洗，約1/2面積為陳舊性斷面。1#、2#主弦桿陳舊性斷面說明在整節標準節斷裂前該處已開裂。在此后服役時此處形成新的裂源，斷面上有裂紋擴展輝紋，標志主弦桿斷裂的形式為疲勞斷裂(見圖9?圖12)。

2.2 標準節斷裂主弦桿試件材質檢驗

　　(1)將事故塔機塔身斷裂標準節的1#、2#主弦桿取樣，帶回實驗室進行進一步檢測分析。將1#、2#主弦桿非斷口主弦桿材料做物理性能及化學成分分析，斷口主弦桿材料做金相分析。

　　(2)檢測結果表明：物理性能方面其屈服強度、抗拉強度、伸長率、冷彎、沖擊吸收功率均符合Q235鋼的相關標準要求;化學成分分析方面其C、Si、Mn、S、P的含量指標符合Q235鋼的元素含量要求;斷口試件金相檢驗表明： 1#、2#主弦桿基體組織為鐵素體+珠光體，組織無異常現象;焊接熱影響區組織為基體金屬焊接熱影響區的細晶區組織，局部少量呈魏氏組織特征，未見如過熱、過燒等其他不良組織。

3 事故原因分析

　　事故塔機標準節連接套部位結構特點：

　　(1)事故塔機標準節主弦桿橫截面突變和焊縫密集產生應力集中。連接套與主弦桿連接處形成突變截面，同時連接處堆積各腹桿焊縫，突變截面和焊縫密集必然產生應力集中現象。雖然應力集中在塔機焊接結構中不可避免，但由于塔機主弦桿采用塑性較好的低碳鋼，局部應力超過材料屈服極限后會發生塑性變形，導致應力重新分布，只要公稱應力值在標準允許范圍內，應力集中對塔機結構件的靜強度影響不大。然而，應力集中對塔機結構件疲勞強度的影響卻不可小覷，應力集中會明顯降低結構件的疲勞強度。

　　(2)標準節主弦桿承受交變應力。上回轉塔機的塔身在工作時承受交變載荷，由于塔機回轉支撐以上部分(包括塔頂、起重臂和平衡臂)的不斷轉動，固定塔身承受對稱循環交變彎曲載荷，相應標準節主弦桿承受對稱循環拉壓交變應力，應力的方式和大小嚴重影響標準節的疲勞壽命。

　　(3)連接套與標準節主弦桿受力方向不同。當標準節主弦桿承受拉力時，連接套在高強螺栓的作用下承受壓力，由于連接套與標準節主弦桿受力方向不同，造成連接套有壓縮變形趨勢，而標準節主弦桿有拉伸變形趨勢。這種變形的不協調趨勢造成二者接觸面之間的應力嚴重不均勻，這實際就是一種應力集中現象。

　　綜上所述，結合事故塔機標準節主弦桿的受力和連接套的結構形式特點，可以得出，標準節主弦桿開裂的主要原因是：在標準節承受對稱循環交變應力過程中，當標準節局部最大應力超限時，在主弦桿薄弱處(連接套焊縫及熱影響區位置)出現微裂紋，隨著使用時間的增加裂紋會不斷擴展，構件有效截面面積被逐漸削弱，當主弦桿有效截面面積削弱到一定程度，由于不能承受所加載荷而突然斷裂。

4 分析結論

　　事故塔機標準節在承受對稱循環交變應力過程中，當第4節標準節局部最大應力超限時，在1#、2#主弦桿最薄弱處(連接套焊縫及熱影響區位置)首先產生微裂紋，因其工作循環的累積，裂紋不斷擴展，兩主弦桿逐漸形成大面積陳舊性斷面，其中1#主弦桿陳舊性斷面占據了該主弦桿截面的1/3左右，2#主弦桿陳舊斷面占據了該主弦桿截面的1/2左右，造成該節標準節整體承載能力顯著降低，當事故塔機在完成最后吊運一斗砂漿給一號樓三層卸料平臺卸料后，此時1#、2#主弦桿承受拉應力，受此應力作用，主弦桿裂紋逐漸擴展到不能承受上部不平衡力矩，主弦桿全部拉裂斷開，導致塔機整機傾覆。因此，標準節主弦桿因疲勞累積損傷產生大面積陳舊性斷面，造成該標準節整體承載能力顯著降低，是導致該塔機整機倒塌的直接原因。

5 建議

　　在塔機安裝、檢測、使用過程中，應加強對主弦桿連接套接頭部位的檢查，特別是使用五年以上的舊塔機，應加大對安裝在塔身底部的底節、加強節、標準節和安裝附著架后的自由端根部位置的標準節相應部位的檢查，盡早發現可能出現的疲勞裂紋并采取有效措施處置，預防事故的發生。由于疲勞裂紋起始點多位于結構內部，疲勞裂紋即便擴展到結構表層，因油漆涂層覆蓋，外觀檢查也不見得能輕易發現，對使用年限較長的塔機，可在轉場安裝前對相關部位采用無損檢測的方法進行檢測。

　　使用說明書是塔機重要的技術文件，對塔機安裝、檢測、使用具有重要的指導作用，其正確性、完整性，對塔機的安全使用不容忽視。

（責任編輯：休魚）