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INTRODUCTION

2016年廈門“莫蘭蒂”臺風塔式起重機倒塌情況調查分析

        我們繼續就臺風對塔機安全的影響進行交流。今天帶來的《2016年廈門“莫蘭蒂”臺風塔式起重機倒塌情況調查分析》轉載自專業期刊《建筑機械化》2017年第1期P23—28。作者是廈門市建設工程質量安全監督站黃茂能、謝國棟、馮濤、徐略陽。



前言


       2016年9月15日凌晨3點05分,第14號臺風“莫蘭蒂”在廈門市翔安區正面登陸,據中央氣象臺臺風網公布,登陸時風力達15級,最大風速達50m/s。全市在建工程受災嚴重,不少建筑起重機械倒塌、變形。為掌握全市建筑起重機械的受災情況,及時消除受損建筑起重機械造成的安全隱患,根據廈門市建設局的工作安排,廈門市建設工程質量安全監督站立即組織調查組開展建筑起重機械受災調研工作,會同各區監督站及廈門市建筑工程材料設備協會建筑機械分會,通過深入細致的調查,取得了較為完整的資料。據統計,在建工程建筑起重機械受損共計126臺,其中塔式起重機倒塌79臺,非倒塌性(指設備明顯變形或局部損壞)受損30臺,施工升降機倒塌2臺,非倒塌性受損9臺,門式起重機倒塌6臺,動臂式塔式起重機沒有受損現象,施工升降機倒塌是被臨近倒塌的塔機碰撞所致;非倒塌性受損中,塔機主要損壞形式有標準節變形、起重臂變形、折斷等,施工升降機非倒塌性受損主要形式為標準節變形;門式起重機倒塌主要原因為脫軌導致。本文主要對塔機倒塌類型和原因進行分析,總結經驗教訓,以提高臺風中建筑起重機械的安全性能,提升施工重大危險源的防控水平。



塔機倒塌型式分類

        

       塔機倒塌主要有6種形式,分別為片裝式標準節塔身主弦桿屈服變形、整體式標準節塔身連接破壞、附著裝置破壞、基礎節底板焊縫斷裂、地腳螺栓破壞、起重臂掉落等,塔機倒塌各類型數量統計如表1。


  表1 塔機倒塌類型數量



1.1 片裝式標準節塔身主弦桿屈服變形

片裝式標準節塔機倒塌數量為29臺,破壞部位為基礎處加強節或附著處標準節的主弦桿單角鋼屈服變形,未發現主弦桿或連接銷軸斷裂破壞的現象。


案例1:聯發濱海D2-1地塊工程



圖1塔機倒塌(左圖),主弦桿屈服變形局部(右圖)


塔機工況:型號TC6015,標準節為片裝式單角鋼結構,附著處無內撐桿;塔機安裝在建筑物西側被風面,安裝高度155.7m(起重臂架鉸點高度),共有7道附著,懸臂端高度為34.5m。

破壞情況:塔機附著完好,最高道附著所在標準節主弦桿折彎倒塌,7個塔身標準節倒塌在建筑物34層施工平面上,2個標準節、回轉機構、駕駛室、起重臂及平衡臂懸掛在建筑物南側腳手架上,平衡重墜落地面,見圖1。


案例2:金都·海尚國際南區3#地塊



圖2 塔機倒塌(左圖),主弦桿屈服變形局部(右圖)


塔機工況:型號MC120B,塔機標準節為片裝式單角鋼結構,附著處設置有內撐桿;塔機安裝在建筑物南側迎風面,安裝高度126m,共有4道附著,最高道附著所在高度為90m,懸臂端高度36m;在96m處準備安裝第5道附著,附著框已安裝,但附著桿尚未安裝。

破壞情況:塔機附著完好,90m附著框上方約4米處標準節失穩變形倒塌,部分塔身(約5標準節)倒塌在建筑物屋面上,駕駛室以上部分及起重臂折倒,懸掛在建筑物北側外腳手架上,見圖2。


1.2 整體式標準節連接破壞

整體式標準節塔機倒塌的數量為35臺,主要形式有標準節連接螺栓螺紋破壞、螺栓斷裂、標準節連接套旁主弦桿方管斷裂、連接套焊縫斷裂等,各類型數量統計如表2。

表2 整體式標準節塔機倒塌數量統計:




案例3:東海火炬科技園SOHO配套中心工程


塔機工況:型號QTZ63(5610-6),整體式標準節,塔身高度33.6m,未超出說明書塔機獨立使用高度40.5m的要求。

破壞情況:基礎上方第二與第三標準節連接螺栓破壞,第三節以上倒塌,見圖3;螺栓破壞情況見圖4。



圖3 塔機標準節螺栓破壞倒塌



圖4 塔機標準節連接螺栓破壞


案例4:長安首飾廠房(1#廠房、2#廠房)項目





塔機工況:1#、2#兩臺塔機為同廠家設備,型號為TC6010A-6,整體式標準節,獨立使用高度36.4m,符合使用說明書要求,出廠日期均為2007年5月。

破壞情況:1#塔機破壞位置為底座上方加強節主弦桿斷裂破壞;2#塔機破壞位置為為第二節標準節的主弦桿斷裂,見圖5、圖6、圖7。


1.3 附著裝置破壞

因附著裝置破壞導致塔機倒塌的數量為12臺,附著裝置破壞主要形式有附著框破壞、附著桿斷裂、附著預埋件破壞等,各類型數量統計如表3。



表3 附著裝置破壞類型統計


1.3.1 附著框破壞


案例5: 廈門軟件園三期一期A12工程 



圖8 塔機附著框破壞


塔機工況:塔機型號QTZ80(6010-6),整體式標準節,安裝高度112m,懸臂端高度21m,共5道附著,附著間距均為16.8m。

破壞情況:最高道附著框的頂緊螺栓套與半梁焊接處脫離破壞,附著框與塔身間存在間隙,框架梁的連接板受沖擊后焊縫斷裂,導致附著框破壞,見圖8。


1.3.2 附著桿破壞


案例6:海峽旅游服務中心—旅游博覽中心



圖9 塔機附著桿破壞



塔機工況:塔機型號MC120B,整體式標準節,安裝高度131m,懸臂端高度31.5m,共4道附著,每道附著含3根附著桿,附著桿由兩根220mm槽鋼及綴條組合焊接而成;附著桿連接耳板厚度20mm,焊縫高度約10mm,無焊接坡口;附著桿與附著框聯接的耳板厚15mm,焊縫高度約10mm,無焊接坡口,無加強筋板。

破壞情況:最高道附著的一根附著桿在對焊連接處斷裂,另外兩根附著桿與附著連接耳環焊縫處被拉斷,見圖9、圖10。


1.3.3 附著預埋件破壞


案例7:同安新城酒店



圖11 MC480塔機倒塌




塔機工況:塔機型號MC480,安裝高度115m,懸臂端高度63.2m,符合使用說明書要求,共2道附著。每道附著含3根附著桿及3個連墻基座,每個基座由4根附著預埋螺栓固定,附著預埋螺栓尺寸為M30mm×350mm,錨固長度約為200mm。

破壞情況:最高道附著共3處連墻基座,其中兩處連墻基座的預埋螺栓被拉出,混凝土結構破壞,一處連墻基座預埋螺栓被拉斷,見圖11、圖12。



塔機倒塌原因分析

        

2.1 臺風風力超過塔機設計標準


臺風風力超過塔機設計標準是這次塔機大量倒塌的主要原因。我國現行設計相關國家標準《起重機設計規范》GB3811、《塔式起重機設計規范》GB/T13752等均不同程度地提出了塔機承受非工作狀態風荷載的要求,對沿海地區塔機非工作狀態的設計計算風壓為1000 N/m2,計算風速為40m/s,對應《風力等級》GBT 28591為13級。根據廈門市氣象臺觀測站監測數據,第14號超強臺風“莫蘭蒂”廈門沿海及各大橋監測點風力為旋轉風14~15級、陣風16~17級以上,最大陣風風速為64.2m/s,換算后的理論風壓值為2570 N/m2,遠超過塔機設計的計算風壓與風速。


2.2 塔機設計安全裕度小,制造質量差


2.2.1塔機設計的安全裕度偏小,設備在非工作狀況下抗風荷載能力不足。

分廠家的塔機獨立使用高度、懸臂端高度設計值過大,安全裕度偏小,抗臺風能力差。通過對比不同品牌的塔機,在相同型號、標準節形式及截面的情況下,塔機獨立使用高度設定值差異較大。如型號為TC6013的塔機,多數廠家使用說明書中獨立使用高度均在40~45m,部分達46.7m,個別甚至高達50.5m,遠大于大多數同型號塔機的獨立使用高度。

2.2.2 廠家優化結構設計,降低安全性能。

部分塔機制造廠商通常通過優化設計的形式來降低生產成本和銷售價格,優化設計往往以結構質量最小化作為優化目標;有的產品仿制知名品牌生產,所使用的結構材質和生產質量不如知名品牌,甚至對塔機結構進一步優化,但標注的性能參數卻相同甚至更高;一些塔機在基礎節、附著所在標準節、基礎節焊縫、附著桿等受力節點位置未考慮結構加強措施,單角鋼片裝式標準節在附著裝置截面未設置對角腹桿或內撐桿等,這些均降低了塔機的安全性能。如案例1塔機說明書對附著框未要求配備內撐桿,塔身屈服點發生在最高道附著處,變形起始點在附著以下約2m處,而案例2中塔機最高道附著裝置配有內撐桿,變形起始點發生在附著裝置以上約4m處。通過對比兩者的破壞位置,附著裝置是否安裝內撐桿,其變形起始點高度差達4~6m。如果案例1該塔機安裝了內撐桿,該塔機可能不會倒塌。

2.2.3 設備制造質量差

廈門理工學院項目中倒塌塔機出廠時間為2015年,因基礎節主弦桿與底板法蘭盤焊縫拉裂倒塌。這種形式基礎節的主弦桿與水平腹桿在底板法蘭盤上組裝后焊接,主弦桿外側焊2個接加強筋板,其強度比主弦桿焊接在底板上后再焊接4個加強筋板的型式差,再加上主弦桿與法蘭盤焊縫存在明顯的焊接未融合等質量缺陷,該部位存在安全隱患,見圖13、圖14。



圖13 基礎節主弦桿與底板法蘭盤焊縫拉裂倒塌



2.3 安裝、使用問題


2.3.1 塔機懸臂端高度偏大

這次臺風中塔機安裝高度接近使用說明書中的極限值的受損較多,同一項目多臺塔機中,獨立使用高度或懸臂端高度大的塔機倒塌,而較低的未受損。案例1中該項目同一建筑物中使用兩臺相同型號、規格的塔機,因塔機交叉作業,倒塌的塔機懸臂端高度為34.5m,未受損的塔機為28.5m,兩者僅差了6m。如果正常使用時將兩臺塔機懸臂端高度均降低2節標準節,也許可以避免倒塌事故的發生。

又如距離案例1項目200m處的華爾頓1275項目,共8臺塔機(含QTZ80,TC5610,TC6010等型號),沒有一臺發生倒塌或變形,除去塔機所處位置、塔機型式等不同等因素外,該項目的塔機在使用時懸臂端高度與說明書的要求相比留有較大的余量,均比說明書規定值降低了2~3個標準節,其中最高的2臺塔機安裝高度達180m,附著裝置平均間距約為11.2m,最高附著的最小間距僅6m,大大提高了塔身結構的剛度,增強抗風能力,有效提高整機安全性,見圖15。



圖15 華爾頓項目塔機懸臂端高度及附著間距均較小


2.3.2 附著裝置制作、安裝質量差

塔機附著框和附著桿通常由塔機制造廠生產,但因安裝距離超長、或為省錢、省事等,常有現場自制的現象。現場自制的附著框以及超長、非標的附著桿,不少未經設計計算,存在截面小、抗拉性和抗壓性差、連接部位有焊接工藝和質量缺陷等問題,在超強臺風產生的傾覆力矩作用下,易發生結構破壞。

(1) 附著框結構、附著桿制作質量不可靠。

案例5 中:最高處附著框未使用原廠構件,制造質量差,在主框架與連接法蘭焊接處破壞;內頂撐調節螺桿作為塔身結構與附著框的連接傳力點,在強臺風時,在內頂撐調節螺栓套與附著框因焊接質量差而先破壞,造成附著裝置失效。

案例6中:附著桿制造質量不合格,焊接工藝和焊接質量不達標;附著桿由槽鋼多段隨意對焊連接,焊縫在同一截面上,未錯縫,且未設置加強板;附著桿與附著框聯接的耳板板厚達20mm,焊接時卻未開焊接坡口;附著桿上綴條設置隨意,未形成有效的格構式結構。

(2) 附著裝置預埋螺栓安裝質量不可靠。

案例7中:附著裝置各連墻基座僅使用4根M30預埋螺栓(通常為6~8根),預埋螺栓與主體結構拉結處受力增大;附著預埋螺栓與建筑物主體結構未有效連接,未固定在結構柱主筋上,僅拉設在φ10箍筋上,箍筋被拉斷后預埋螺栓被拉脫;預埋螺栓所在的建筑結構處未采取加固措施,混凝土結構破壞。

2.3.3 使用接近報廢年限的塔機或部件

案例4中兩臺塔機出廠年限均為9年,接近報廢年限。其中一臺在第一節標準節下部連接套旁主弦桿斷裂,另一臺在第二節標準節下部連接套旁主弦桿斷裂,且兩塔獨立使用高度均低于說明書要求,標準節鋼結構力學性能已明顯下降,使用存在較大安全隱患。

個別倒塌的塔機標準節外形構造相同,但新舊不一,存在混用現象,圖16中倒塌的塔機破壞部位發生在標準節連接套主弦桿處的金屬結構,該部位銹蝕較嚴重。按《塔式起重機安全規程》GB5144規定,從2007年10月起塔機塔身標準節、起重臂節等主要結構件應具有可追溯出廠日期的永久性的標志,但不少制造廠未嚴格執行,而且規程實施前制造無標志的標準節等無法判斷是否到達報廢期限,對于報廢標準節的混用目前尚無有效防范措施。




2.3.4 塔身連接螺栓松動

整體式標準節塔機因塔身連接螺栓螺紋破壞、螺栓斷裂而倒塌的共20臺,約占整體式標準節塔機倒塌的60%。螺栓破壞的原因之一是螺栓松動,主要原因為安裝時連接螺栓緊固力矩達不到要求、使用過程中塔身承受頻繁變化的力矩作用導致。案例3塔機為2016年出廠,在第二道與第三道標準節連接處螺栓螺紋破壞,標準節均未發生明顯結構變形,破壞處不是塔身受力最不利位置,其原因明顯為標準節連接螺栓松動。

另外,高強螺栓多次重復使用也是造成螺栓破壞的重要影響因素,螺栓、螺母出現任何損傷、變形、滑牙、缺牙、銹蝕、螺紋粗糙度變化較大等現象的,力學性能將大大降低,易造成連接破壞。


2.4 防臺風經驗不足

廈門地區每年均要經歷數次臺風,因其地理位置受臺灣島遮擋的影響,很少發生超強臺風正面襲擊廈門的情況。工程項目各方防范重大災害的意識不強,未盡全力作充分準備。本次臺風中,幾乎沒有工程在臺風來臨前對塔機作降塔、下降套架或對塔身做加固處理。另一方面,使用單位、一體化企業防范強臺風經驗不足,多數工程應急預案中沒有編制建筑起重機械防臺風措施,現場設備管理人員不知道如何應對臺風,未能及時采取全面檢修、加固受力節點等預防措施;個別塔機操作人員未解除塔機回轉限位導致塔機倒塌;部分項目塔機上的廣告標語未拆除,形成風帆效應,增大了塔機受風面積,見圖17。 



圖17 塔機上的標語牌未拆除


3  塔機防臺風措施

目前國內沿海臺風頻發地區尚無省份針對臺風制定建筑起重機械的地方標準,也無塔機制造廠家專門生產可抵抗超強臺風的產品,如對塔機提出抗超強臺風能力要求,必然大大提高制造成本和使用成本。因此,除選擇合適的塔機、確保塔機安裝質量和正確的維護保養外,還可通過采取有效的防臺風管理措施,最大限度地減小臺風帶來的損失。

(1)降低塔機懸臂高度。因臺風來時,在整個地區大面積降低塔機使用高度存在時間緊迫、人員不足以及臺風中作業安全的問題,實際操作難度較大,建議在每年7月至10月的臺風高發季節期間,適度降低塔機懸臂端高度或者獨立使用高度;

(2)塔機標準節采用片式結構的,最高道附著框架內必須設置內撐桿;

(3)建筑起重機械采用的高強螺栓應采用扭矩扳手按要求預緊,日常維修保養及臺風來前應檢查緊固;高強螺栓、螺母出現損傷的嚴禁使用;

(4)塔機嚴禁擅自安裝非原廠、非同一型號的標準節和附著裝置;對非標附著桿的設計、制作須由塔機制造單位或有資質的單位進行;

(5)附著裝置預埋件的材質、數量及預埋處的混凝土強度應符合產品使用說明書要求,預埋件應拉結在建筑物的主要受力結構(結構柱、結構梁等)上,預埋安裝應按隱蔽工程驗收要求進行;

(6)塔機的布置必須確保起重臂能360°回轉,作業半徑內不得有可能與起重臂干涉的建筑物、電纜、樹木等;多臺塔機作業應有防碰撞措施;非工作狀態應解除塔機臂架回轉限位,確保塔機起重臂能實現隨風回轉;

(7)建筑起重機械的安全裝置應齊全有效,在塔機塔頂部應安裝風速儀,當風速大于工作極限風速時,能發出停止作業的警報;

(8)對接近報廢年限的塔機宜適當降低技術指標使用。

(9)建議完善建筑起重機械報廢制度,采用行業協會監管的模式,防止報廢的建筑起重機械及標準節等重要部件再次進入現場。



結束語

        

這次臺風塔機倒塌除不可抗拒的自然災害外,也暴露塔機在制造、安裝、使用維護等方面存在的問題。只有提高塔機設計制造水平,全方位地加強安裝、使用維護及檢測等各環節的管理,提升從業人員的素質,才能最大限度地降低臺風災害損失。




前言


       2016年9月15日凌晨3點05分,第14號臺風“莫蘭蒂”在廈門市翔安區正面登陸,據中央氣象臺臺風網公布,登陸時風力達15級,最大風速達50m/s。全市在建工程受災嚴重,不少建筑起重機械倒塌、變形。為掌握全市建筑起重機械的受災情況,及時消除受損建筑起重機械造成的安全隱患,根據廈門市建設局的工作安排,廈門市建設工程質量安全監督站立即組織調查組開展建筑起重機械受災調研工作,會同各區監督站及廈門市建筑工程材料設備協會建筑機械分會,通過深入細致的調查,取得了較為完整的資料。據統計,在建工程建筑起重機械受損共計126臺,其中塔式起重機倒塌79臺,非倒塌性(指設備明顯變形或局部損壞)受損30臺,施工升降機倒塌2臺,非倒塌性受損9臺,門式起重機倒塌6臺,動臂式塔式起重機沒有受損現象,施工升降機倒塌是被臨近倒塌的塔機碰撞所致;非倒塌性受損中,塔機主要損壞形式有標準節變形、起重臂變形、折斷等,施工升降機非倒塌性受損主要形式為標準節變形;門式起重機倒塌主要原因為脫軌導致。本文主要對塔機倒塌類型和原因進行分析,總結經驗教訓,以提高臺風中建筑起重機械的安全性能,提升施工重大危險源的防控水平。



塔機倒塌型式分類

        

       塔機倒塌主要有6種形式,分別為片裝式標準節塔身主弦桿屈服變形、整體式標準節塔身連接破壞、附著裝置破壞、基礎節底板焊縫斷裂、地腳螺栓破壞、起重臂掉落等,塔機倒塌各類型數量統計如表1。


  表1 塔機倒塌類型數量


1.1 片裝式標準節塔身主弦桿屈服變形

片裝式標準節塔機倒塌數量為29臺,破壞部位為基礎處加強節或附著處標準節的主弦桿單角鋼屈服變形,未發現主弦桿或連接銷軸斷裂破壞的現象。


案例1:聯發濱海D2-1地塊工程


圖1塔機倒塌(左圖),主弦桿屈服變形局部(右圖)


塔機工況:型號TC6015,標準節為片裝式單角鋼結構,附著處無內撐桿;塔機安裝在建筑物西側被風面,安裝高度155.7m(起重臂架鉸點高度),共有7道附著,懸臂端高度為34.5m。

破壞情況:塔機附著完好,最高道附著所在標準節主弦桿折彎倒塌,7個塔身標準節倒塌在建筑物34層施工平面上,2個標準節、回轉機構、駕駛室、起重臂及平衡臂懸掛在建筑物南側腳手架上,平衡重墜落地面,見圖1。


案例2:金都·海尚國際南區3#地塊


圖2 塔機倒塌(左圖),主弦桿屈服變形局部(右圖)


塔機工況:型號MC120B,塔機標準節為片裝式單角鋼結構,附著處設置有內撐桿;塔機安裝在建筑物南側迎風面,安裝高度126m,共有4道附著,最高道附著所在高度為90m,懸臂端高度36m;在96m處準備安裝第5道附著,附著框已安裝,但附著桿尚未安裝。

破壞情況:塔機附著完好,90m附著框上方約4米處標準節失穩變形倒塌,部分塔身(約5標準節)倒塌在建筑物屋面上,駕駛室以上部分及起重臂折倒,懸掛在建筑物北側外腳手架上,見圖2。


1.2 整體式標準節連接破壞

整體式標準節塔機倒塌的數量為35臺,主要形式有標準節連接螺栓螺紋破壞、螺栓斷裂、標準節連接套旁主弦桿方管斷裂、連接套焊縫斷裂等,各類型數量統計如表2。

表2 整體式標準節塔機倒塌數量統計:



案例3:東海火炬科技園SOHO配套中心工程


塔機工況:型號QTZ63(5610-6),整體式標準節,塔身高度33.6m,未超出說明書塔機獨立使用高度40.5m的要求。

破壞情況:基礎上方第二與第三標準節連接螺栓破壞,第三節以上倒塌,見圖3;螺栓破壞情況見圖4。


圖3 塔機標準節螺栓破壞倒塌


圖4 塔機標準節連接螺栓破壞


案例4:長安首飾廠房(1#廠房、2#廠房)項目




塔機工況:1#、2#兩臺塔機為同廠家設備,型號為TC6010A-6,整體式標準節,獨立使用高度36.4m,符合使用說明書要求,出廠日期均為2007年5月。

破壞情況:1#塔機破壞位置為底座上方加強節主弦桿斷裂破壞;2#塔機破壞位置為為第二節標準節的主弦桿斷裂,見圖5、圖6、圖7。


1.3 附著裝置破壞

因附著裝置破壞導致塔機倒塌的數量為12臺,附著裝置破壞主要形式有附著框破壞、附著桿斷裂、附著預埋件破壞等,各類型數量統計如表3。


表3 附著裝置破壞類型統計


1.3.1 附著框破壞


案例5: 廈門軟件園三期一期A12工程 


圖8 塔機附著框破壞


塔機工況:塔機型號QTZ80(6010-6),整體式標準節,安裝高度112m,懸臂端高度21m,共5道附著,附著間距均為16.8m。

破壞情況:最高道附著框的頂緊螺栓套與半梁焊接處脫離破壞,附著框與塔身間存在間隙,框架梁的連接板受沖擊后焊縫斷裂,導致附著框破壞,見圖8。


1.3.2 附著桿破壞


案例6:海峽旅游服務中心—旅游博覽中心


圖9 塔機附著桿破壞


塔機工況:塔機型號MC120B,整體式標準節,安裝高度131m,懸臂端高度31.5m,共4道附著,每道附著含3根附著桿,附著桿由兩根220mm槽鋼及綴條組合焊接而成;附著桿連接耳板厚度20mm,焊縫高度約10mm,無焊接坡口;附著桿與附著框聯接的耳板厚15mm,焊縫高度約10mm,無焊接坡口,無加強筋板。

破壞情況:最高道附著的一根附著桿在對焊連接處斷裂,另外兩根附著桿與附著連接耳環焊縫處被拉斷,見圖9、圖10。


1.3.3 附著預埋件破壞


案例7:同安新城酒店


圖11 MC480塔機倒塌



塔機工況:塔機型號MC480,安裝高度115m,懸臂端高度63.2m,符合使用說明書要求,共2道附著。每道附著含3根附著桿及3個連墻基座,每個基座由4根附著預埋螺栓固定,附著預埋螺栓尺寸為M30mm×350mm,錨固長度約為200mm。

破壞情況:最高道附著共3處連墻基座,其中兩處連墻基座的預埋螺栓被拉出,混凝土結構破壞,一處連墻基座預埋螺栓被拉斷,見圖11、圖12。



塔機倒塌原因分析

        

2.1 臺風風力超過塔機設計標準


臺風風力超過塔機設計標準是這次塔機大量倒塌的主要原因。我國現行設計相關國家標準《起重機設計規范》GB3811、《塔式起重機設計規范》GB/T13752等均不同程度地提出了塔機承受非工作狀態風荷載的要求,對沿海地區塔機非工作狀態的設計計算風壓為1000 N/m2,計算風速為40m/s,對應《風力等級》GBT 28591為13級。根據廈門市氣象臺觀測站監測數據,第14號超強臺風“莫蘭蒂”廈門沿海及各大橋監測點風力為旋轉風14~15級、陣風16~17級以上,最大陣風風速為64.2m/s,換算后的理論風壓值為2570 N/m2,遠超過塔機設計的計算風壓與風速。


2.2 塔機設計安全裕度小,制造質量差


2.2.1塔機設計的安全裕度偏小,設備在非工作狀況下抗風荷載能力不足。

分廠家的塔機獨立使用高度、懸臂端高度設計值過大,安全裕度偏小,抗臺風能力差。通過對比不同品牌的塔機,在相同型號、標準節形式及截面的情況下,塔機獨立使用高度設定值差異較大。如型號為TC6013的塔機,多數廠家使用說明書中獨立使用高度均在40~45m,部分達46.7m,個別甚至高達50.5m,遠大于大多數同型號塔機的獨立使用高度。

2.2.2 廠家優化結構設計,降低安全性能。

部分塔機制造廠商通常通過優化設計的形式來降低生產成本和銷售價格,優化設計往往以結構質量最小化作為優化目標;有的產品仿制知名品牌生產,所使用的結構材質和生產質量不如知名品牌,甚至對塔機結構進一步優化,但標注的性能參數卻相同甚至更高;一些塔機在基礎節、附著所在標準節、基礎節焊縫、附著桿等受力節點位置未考慮結構加強措施,單角鋼片裝式標準節在附著裝置截面未設置對角腹桿或內撐桿等,這些均降低了塔機的安全性能。如案例1塔機說明書對附著框未要求配備內撐桿,塔身屈服點發生在最高道附著處,變形起始點在附著以下約2m處,而案例2中塔機最高道附著裝置配有內撐桿,變形起始點發生在附著裝置以上約4m處。通過對比兩者的破壞位置,附著裝置是否安裝內撐桿,其變形起始點高度差達4~6m。如果案例1該塔機安裝了內撐桿,該塔機可能不會倒塌。

2.2.3 設備制造質量差

廈門理工學院項目中倒塌塔機出廠時間為2015年,因基礎節主弦桿與底板法蘭盤焊縫拉裂倒塌。這種形式基礎節的主弦桿與水平腹桿在底板法蘭盤上組裝后焊接,主弦桿外側焊2個接加強筋板,其強度比主弦桿焊接在底板上后再焊接4個加強筋板的型式差,再加上主弦桿與法蘭盤焊縫存在明顯的焊接未融合等質量缺陷,該部位存在安全隱患,見圖13、圖14。


圖13 基礎節主弦桿與底板法蘭盤焊縫拉裂倒塌


2.3 安裝、使用問題


2.3.1 塔機懸臂端高度偏大

這次臺風中塔機安裝高度接近使用說明書中的極限值的受損較多,同一項目多臺塔機中,獨立使用高度或懸臂端高度大的塔機倒塌,而較低的未受損。案例1中該項目同一建筑物中使用兩臺相同型號、規格的塔機,因塔機交叉作業,倒塌的塔機懸臂端高度為34.5m,未受損的塔機為28.5m,兩者僅差了6m。如果正常使用時將兩臺塔機懸臂端高度均降低2節標準節,也許可以避免倒塌事故的發生。

又如距離案例1項目200m處的華爾頓1275項目,共8臺塔機(含QTZ80,TC5610,TC6010等型號),沒有一臺發生倒塌或變形,除去塔機所處位置、塔機型式等不同等因素外,該項目的塔機在使用時懸臂端高度與說明書的要求相比留有較大的余量,均比說明書規定值降低了2~3個標準節,其中最高的2臺塔機安裝高度達180m,附著裝置平均間距約為11.2m,最高附著的最小間距僅6m,大大提高了塔身結構的剛度,增強抗風能力,有效提高整機安全性,見圖15。


圖15 華爾頓項目塔機懸臂端高度及附著間距均較小


2.3.2 附著裝置制作、安裝質量差

塔機附著框和附著桿通常由塔機制造廠生產,但因安裝距離超長、或為省錢、省事等,常有現場自制的現象。現場自制的附著框以及超長、非標的附著桿,不少未經設計計算,存在截面小、抗拉性和抗壓性差、連接部位有焊接工藝和質量缺陷等問題,在超強臺風產生的傾覆力矩作用下,易發生結構破壞。

(1) 附著框結構、附著桿制作質量不可靠。

案例5 中:最高處附著框未使用原廠構件,制造質量差,在主框架與連接法蘭焊接處破壞;內頂撐調節螺桿作為塔身結構與附著框的連接傳力點,在強臺風時,在內頂撐調節螺栓套與附著框因焊接質量差而先破壞,造成附著裝置失效。

案例6中:附著桿制造質量不合格,焊接工藝和焊接質量不達標;附著桿由槽鋼多段隨意對焊連接,焊縫在同一截面上,未錯縫,且未設置加強板;附著桿與附著框聯接的耳板板厚達20mm,焊接時卻未開焊接坡口;附著桿上綴條設置隨意,未形成有效的格構式結構。

(2) 附著裝置預埋螺栓安裝質量不可靠。

案例7中:附著裝置各連墻基座僅使用4根M30預埋螺栓(通常為6~8根),預埋螺栓與主體結構拉結處受力增大;附著預埋螺栓與建筑物主體結構未有效連接,未固定在結構柱主筋上,僅拉設在φ10箍筋上,箍筋被拉斷后預埋螺栓被拉脫;預埋螺栓所在的建筑結構處未采取加固措施,混凝土結構破壞。

2.3.3 使用接近報廢年限的塔機或部件

案例4中兩臺塔機出廠年限均為9年,接近報廢年限。其中一臺在第一節標準節下部連接套旁主弦桿斷裂,另一臺在第二節標準節下部連接套旁主弦桿斷裂,且兩塔獨立使用高度均低于說明書要求,標準節鋼結構力學性能已明顯下降,使用存在較大安全隱患。

個別倒塌的塔機標準節外形構造相同,但新舊不一,存在混用現象,圖16中倒塌的塔機破壞部位發生在標準節連接套主弦桿處的金屬結構,該部位銹蝕較嚴重。按《塔式起重機安全規程》GB5144規定,從2007年10月起塔機塔身標準節、起重臂節等主要結構件應具有可追溯出廠日期的永久性的標志,但不少制造廠未嚴格執行,而且規程實施前制造無標志的標準節等無法判斷是否到達報廢期限,對于報廢標準節的混用目前尚無有效防范措施。



2.3.4 塔身連接螺栓松動

整體式標準節塔機因塔身連接螺栓螺紋破壞、螺栓斷裂而倒塌的共20臺,約占整體式標準節塔機倒塌的60%。螺栓破壞的原因之一是螺栓松動,主要原因為安裝時連接螺栓緊固力矩達不到要求、使用過程中塔身承受頻繁變化的力矩作用導致。案例3塔機為2016年出廠,在第二道與第三道標準節連接處螺栓螺紋破壞,標準節均未發生明顯結構變形,破壞處不是塔身受力最不利位置,其原因明顯為標準節連接螺栓松動。

另外,高強螺栓多次重復使用也是造成螺栓破壞的重要影響因素,螺栓、螺母出現任何損傷、變形、滑牙、缺牙、銹蝕、螺紋粗糙度變化較大等現象的,力學性能將大大降低,易造成連接破壞。


2.4 防臺風經驗不足

廈門地區每年均要經歷數次臺風,因其地理位置受臺灣島遮擋的影響,很少發生超強臺風正面襲擊廈門的情況。工程項目各方防范重大災害的意識不強,未盡全力作充分準備。本次臺風中,幾乎沒有工程在臺風來臨前對塔機作降塔、下降套架或對塔身做加固處理。另一方面,使用單位、一體化企業防范強臺風經驗不足,多數工程應急預案中沒有編制建筑起重機械防臺風措施,現場設備管理人員不知道如何應對臺風,未能及時采取全面檢修、加固受力節點等預防措施;個別塔機操作人員未解除塔機回轉限位導致塔機倒塌;部分項目塔機上的廣告標語未拆除,形成風帆效應,增大了塔機受風面積,見圖17。 


圖17 塔機上的標語牌未拆除


3  塔機防臺風措施

目前國內沿海臺風頻發地區尚無省份針對臺風制定建筑起重機械的地方標準,也無塔機制造廠家專門生產可抵抗超強臺風的產品,如對塔機提出抗超強臺風能力要求,必然大大提高制造成本和使用成本。因此,除選擇合適的塔機、確保塔機安裝質量和正確的維護保養外,還可通過采取有效的防臺風管理措施,最大限度地減小臺風帶來的損失。

(1)降低塔機懸臂高度。因臺風來時,在整個地區大面積降低塔機使用高度存在時間緊迫、人員不足以及臺風中作業安全的問題,實際操作難度較大,建議在每年7月至10月的臺風高發季節期間,適度降低塔機懸臂端高度或者獨立使用高度;

(2)塔機標準節采用片式結構的,最高道附著框架內必須設置內撐桿;

(3)建筑起重機械采用的高強螺栓應采用扭矩扳手按要求預緊,日常維修保養及臺風來前應檢查緊固;高強螺栓、螺母出現損傷的嚴禁使用;

(4)塔機嚴禁擅自安裝非原廠、非同一型號的標準節和附著裝置;對非標附著桿的設計、制作須由塔機制造單位或有資質的單位進行;

(5)附著裝置預埋件的材質、數量及預埋處的混凝土強度應符合產品使用說明書要求,預埋件應拉結在建筑物的主要受力結構(結構柱、結構梁等)上,預埋安裝應按隱蔽工程驗收要求進行;

(6)塔機的布置必須確保起重臂能360°回轉,作業半徑內不得有可能與起重臂干涉的建筑物、電纜、樹木等;多臺塔機作業應有防碰撞措施;非工作狀態應解除塔機臂架回轉限位,確保塔機起重臂能實現隨風回轉;

(7)建筑起重機械的安全裝置應齊全有效,在塔機塔頂部應安裝風速儀,當風速大于工作極限風速時,能發出停止作業的警報;

(8)對接近報廢年限的塔機宜適當降低技術指標使用。

(9)建議完善建筑起重機械報廢制度,采用行業協會監管的模式,防止報廢的建筑起重機械及標準節等重要部件再次進入現場。



結束語

        

這次臺風塔機倒塌除不可抗拒的自然災害外,也暴露塔機在制造、安裝、使用維護等方面存在的問題。只有提高塔機設計制造水平,全方位地加強安裝、使用維護及檢測等各環節的管理,提升從業人員的素質,才能最大限度地降低臺風災害損失。