对一起塔吊折臂事故的分析

1 事故经过

阜新市学府雅苑小区建筑工地一台在用QTZ31.5型塔式起重机 (以下简称塔吊) 于2001年出厂, 至事故发生时已使用8年。事故发生时, 该塔吊正在进行浇注三层楼板, 当吊臂顺时针旋转到浇注位置将料斗放下时, 塔吊发出异响、料斗坠落, 吊臂突然折断。折断的前大臂坠落三层楼板上, 没有造成整机倒塌。

2 现场勘察

(1) 事发时, 该塔吊所吊运的混凝土料斗和混凝土的总重量约0.8t, 作业幅度约30m, 该幅度允许吊重为1.15t。

(2) 事故发生当天下午, 风力为3~4级, 风向东南符合塔吊工作条件。

(3) 吊臂折断点发生在第三与第四节臂架连接处, 距臂架根部较点20.38m

(4) 断面如图1“A-A”中 (a) 、 (b) 所示, 臂架标准节下弦杆采用销轴连接形式, 其轴端部用销轴固定, 挡板通过2个M12螺栓固定在下弦杆上。

(5) 图1中, 东侧节点“B”勘察。

(1) 该处连接销轴卡板固定螺栓之一已折断, 且折断后的半截螺栓仍留在连接耳板的螺栓孔中, 其断口有可见的锈斑, 可判定为陈旧断裂, 另一侧固定螺栓已松动, 且缺少弹簧垫圈。

(2) 臂架连接耳板基本保持原平行状态, 经分析认定:该连接处没有受到外冲击力。

(3) 现场采集的“B”节点处连接销轴轴径为44.4mm, 可见第三节下弦杆“B”节点处的轴与孔的配合间隙公差较大。因而在塔吊回转、起升、下降过程中, 轴与孔发生较大的位移, 受力状况较其它部位更为恶劣。现场发现:该节点处挡板内侧与销轴台肩处有深约0.5mm以上的月牙型撞击研磨痕迹, 且轴表面呈多处轴向磨痕、证明塔吊在运行时, 挡板受一定的轴向力作用。

(6) 西侧节点“A”勘察。

(1) 原来平行的两连接耳板已在较大的外力作用下严重变形呈喇叭口形状。

(2) 该位置销轴轴径44.8mm, 表面沿轴线方向有明显的严重划痕。

3 原因分析

(1) 综合现场勘察1~3条可以断定这次倒塔事故不属违章作业。

(2) 分析现场勘察4~6条可以判定:“B”节点是事故的第一断裂点, 虽然该部位销轴的基本作用是定位和连接, 理论上不应承受轴向力, 但在塔吊复杂工况的作用下, 加之轴、孔径的变化, 该轴在卡板定位失效的情况下受一定的轴向力作用, 逐渐从销孔中退出, 脱落。而后, “A”节点在吊臂强烈的外力作用下, 耳板严重变形, 销轴脱落的同时将上弦杆撕开, 造成塔吊大臂失去平衡, 瞬间折断坠落。

4 螺栓断裂分析

通过上述两点分析可知, 塔吊第三、四节臂架下弦杆一侧销轴的脱落是塔吊大臂失去平衡, 瞬间折断坠落的原因所在, 而销轴的脱落正是由于其定位卡板螺栓断裂所造成的, 因而分析、研究螺栓的断裂过程, 也就找到了这起事故的直接原因。

(1) 根据螺栓断口情况现场勘察可知, 断口呈弧形, 且分为两部分。一部分断口较平坦, 如图2所示, 上面有海滩状花纹, 证明是疲劳断裂区;另一部分断口与轴线成45°方向, 这是超载破断区。从断口尺寸看, 疲劳断口面积较大, 最后破断面积小, 证明螺栓所承受的工作载荷较小, 或载荷的振幅较小。因断口附近的材料没有产生明显的变形, 证明螺栓最后是脆性断裂。

(2) 挡板螺栓在工作时受力为:预紧力Qp和轴向工作载荷, 对该螺栓, 所受总载荷为预紧力Qp与部分工作载荷ΔF之和。

从实际工作中可知, 螺栓所受ΔF很小, 则Q值取决于预紧力Qp的大小, 而Qp值的大小是由安装时, 扳手加在螺栓上的载荷值决定的。由于目前大多数塔吊安装没有采用预紧力扳手, 甚至单一地使用大搬手, 因而没有控制预紧力, 造成预紧力Qp过大, 甚至超过允许值。这样, 挡板螺栓在没受到工作载荷时, 就已经受到过大的轴向力作用, 而使螺栓强度受到很大削弱, 甚至产生裂纹, 这是螺栓产生疲劳破坏的主要原因之一。

(3) 螺栓产生疲劳破坏的另一个主要原因是塔吊整机各部分焊接质量差, 有效连接面积小, 有些标准节之间的连接销轴与孔间的配合公差大, 从而影响了塔吊的整体刚度, 在作业时产生位移和变形, 使挡板螺栓在工作中产生交变载荷, 最终产生疲劳断裂。

5 结论和建议

综上所述, 这起塔吊事故的原因是由于塔吊第三、四节吊臂连接销的挡板螺栓经长期使用发生疲劳断裂, 造成挡板失效, 销轴脱落, 导致吊臂折断。而螺栓的断裂原因一是由于安装后产生的内伤;二是连接销轴处配合间隙增大, 增大了该轴所受轴向力, 对螺栓形成了多变载荷;三是由于该塔吊焊接质量差、年久失修、整体刚度下降, 加大了各组件的负担。从安全管理角度看、如能在安装过程中和安装后做自检、定检, 特别是强化测力搬手的使用, 加强日常维修、保养等项管理工作, 是完全可以避免类似事故的发生的, 这起塔吊事故也暴露了原设计中存在的不合理问题, 鉴于目前国内各塔吊安装队伍的实际情况, 无法控制这类关键部位螺栓预紧力, 因而在塔吊类似部位的结构不宜采用这种轴端档板结构。

摘要：本文就某建筑工地一起在用塔式起重机倒塔事故, 对吊臂连接销轴定位挡板螺栓断裂原因进行理论分析、得出了螺栓断裂分析结论, 并提出几点建议。

关键词：塔吊,螺栓断裂预紧力