技能培训 莫兰蒂台风致塔机倒塌案例分析

12016年9月15日凌晨3点05分，第14号台风“莫兰蒂”在厦门市翔安区正面登陆，据中央气象台台风网公布，登陆时风力达15级，最大风速达50m/s。全市在建工程受灾严重，不少建筑起重机械倒塌、变形。为掌握全市建筑起重机械的受灾情况，及时消除受损建筑起重机械造成的安全隐患，根据厦门市建设局的工作安排，厦门市建设工程质量安全监督站立即组织调查组开展建筑起重机械受灾调研工作，会同各区监督站及厦门市建筑工程材料设备协会建筑机械分会，通过深入细致的调查，取得了较为完整的资料。据统计，在建工程建筑起重机械受损共计126台，其中塔式起重机倒塌79台，非倒塌性（指设备明显变形或局部损坏）受损30台，施工升降机倒塌2台，非倒塌性受损9台，门式起重机倒塌6台，动臂式塔式起重机没有受损现象，施工升降机倒塌是被临近倒塌的塔机碰撞所致；非倒塌性受损中，塔机主要损坏形式有标准节变形、起重臂变形、折断等，施工升降机非倒塌性受损主要形式为标准节变形；门式起重机倒塌主要原因为脱轨导致。本文主要对塔机倒塌类型和原因进行分析，总结经验教训，以提高台风中建筑起重机械的安全性能，提升施工重大危险源的防控水平。塔机倒塌型式分类塔机倒塌主要有6种形式，分别为片装式标准节塔身主弦杆屈服变形、整体式标准节塔身连接破坏、附着装置破坏、基础节底板焊缝断裂、地脚螺栓破坏、起重臂掉落等，塔机倒塌各类型数量统计如表1。表1塔机倒塌类型数量1.1片装式标准节塔身主弦杆屈服变形片装式标准节塔机倒塌数量为29台，破坏部位为基础处加强节或附着处标准节的主弦杆单角钢屈服变形，未发现主弦杆或连接销轴断裂破坏的现象。案例1：联发滨海D2-1地块工程2图1塔机倒塌（左图），主弦杆屈服变形局部（右图）塔机工况：型号TC6015，标准节为片装式单角钢结构，附着处无内撑杆；塔机安装在建筑物西侧被风面，安装高度155.7m（起重臂架铰点高度），共有7道附着，悬臂端高度为34.5m。破坏情况：塔机附着完好，最高道附着所在标准节主弦杆折弯倒塌，7个塔身标准节倒塌在建筑物34层施工平面上，2个标准节、回转机构、驾驶室、起重臂及平衡臂悬挂在建筑物南侧脚手架上，平衡重坠落地面，见图1。案例2：金都·海尚国际南区3#地块3图2塔机倒塌（左图），主弦杆屈服变形局部（右图）塔机工况：型号MC120B，塔机标准节为片装式单角钢结构，附着处设置有内撑杆;塔机安装在建筑物南侧迎风面，安装高度126m，共有4道附着，最高道附着所在高度为90m，悬臂端高度36m；在96m处准备安装第5道附着，附着框已安装，但附着杆尚未安装。破坏情况：塔机附着完好，90m附着框上方约4米处标准节失稳变形倒塌，部分塔身（约5标准节）倒塌在建筑物屋面上，驾驶室以上部分及起重臂折倒，悬挂在建筑物北侧外脚手架上，见图2。1.2整体式标准节连接破坏整体式标准节塔机倒塌的数量为35台，主要形式有标准节连接螺栓螺纹破坏、螺栓断裂、标准节连接套旁主弦杆方管断裂、连接套焊缝断裂等，各类型数量统计如表2。表2整体式标准节塔机倒塌数量统计：案例3：东海火炬科技园SOHO配套中心工程塔机工况：型号QTZ63（5610-6），整体式标准节，塔身高度33.6m，未超出说明书塔机独立使用高度40.5m的要求。破坏情况：基础上方第二与第三标准节连接螺栓破坏，第三节以上倒塌，见图3；螺栓破坏情况见图4。4图3塔机标准节螺栓破坏倒塌图4塔机标准节连接螺栓破坏案例4：长安首饰厂房（1#厂房、2#厂房）项目5塔机工况：1#、2#两台塔机为同厂家设备，型号为TC6010A-6，整体式标准节，独立使用高度36.4m，符合使用说明书要求，出厂日期均为2007年5月。破坏情况：1#塔机破坏位置为底座上方加强节主弦杆断裂破坏；2#塔机破坏位置为为第二节标准节的主弦杆断裂，见图5、图6、图7。1.3附着装置破坏因附着装置破坏导致塔机倒塌的数量为12台，附着装置破坏主要形式有附着框破坏、附着杆断裂、附着预埋件破坏等，各类型数量统计如表3。表3附着装置破坏类型统计1.3.1附着框破坏案例5：厦门软件园三期一期A12工程6图8塔机附着框破坏塔机工况：塔机型号QTZ80（6010-6），整体式标准节，安装高度112m，悬臂端高度21m，共5道附着，附着间距均为16.8m。破坏情况：最高道附着框的顶紧螺栓套与半梁焊接处脱离破坏，附着框与塔身间存在间隙，框架梁的连接板受冲击后焊缝断裂，导致附着框破坏，见图8。1.3.2附着杆破坏案例6：海峡旅游服务中心—旅游博览中心图9塔机附着杆破坏7塔机工况：塔机型号MC120B，整体式标准节，安装高度131m，悬臂端高度31.5m，共4道附着，每道附着含3根附着杆，附着杆由两根220mm槽钢及缀条组合焊接而成；附着杆连接耳板厚度20mm，焊缝高度约10mm，无焊接坡口；附着杆与附着框联接的耳板厚15mm，焊缝高度约10mm，无焊接坡口，无加强筋板。破坏情况：最高道附着的一根附着杆在对焊连接处断裂，另外两根附着杆与附着连接耳环焊缝处被拉断，见图9、图10。1.3.3附着预埋件破坏案例7：同安新城酒店8图11MC480塔机倒塌塔机工况：塔机型号MC480，安装高度115m，悬臂端高度63.2m，符合使用说明书要求，共2道附着。每道附着含3根附着杆及3个连墙基座，每个基座由4根附着预埋螺栓固定，附着预埋螺栓尺寸为M30mm×350mm,锚固长度约为200mm。破坏情况：最高道附着共3处连墙基座，其中两处连墙基座的预埋螺栓被拉出，混凝土结构破坏，一处连墙基座预埋螺栓被拉断，见图11、图12。9塔机倒塌原因分析2.1台风风力超过塔机设计标准台风风力超过塔机设计标准是这次塔机大量倒塌的主要原因。我国现行设计相关国家标准《起重机设计规范》GB3811、《塔式起重机设计规范》GB/T13752等均不同程度地提出了塔机承受非工作状态风荷载的要求，对沿海地区塔机非工作状态的设计计算风压为1000N/m2，计算风速为40m/s，对应《风力等级》GBT28591为13级。根据厦门市气象台观测站监测数据，第14号超强台风“莫兰蒂”厦门沿海及各大桥监测点风力为旋转风14～15级、阵风16～17级以上，最大阵风风速为64.2m/s，换算后的理论风压值为2570N/m2，远超过塔机设计的计算风压与风速。2.2塔机设计安全裕度小，制造质量差2.2.1塔机设计的安全裕度偏小，设备在非工作状况下抗风荷载能力不足。部分厂家的塔机独立使用高度、悬臂端高度设计值过大，安全裕度偏小，抗台风能力差。通过对比不同品牌的塔机，在相同型号、标准节形式及截面的情况下，塔机独立使用高度设定值差异较大。如型号为TC6013的塔机，多数厂家使用说明书中独立使用高度均在40～45m，部分达46.7m，个别甚至高达50.5m，远大于大多数同型号塔机的独立使用高度。2.2.2厂家优化结构设计，降低安全性能。部分塔机制造厂商通常通过优化设计的形式来降低生产成本和销售价格，优化设计往往以结构质量最小化作为优化目标；有的产品仿制知名品牌生产，所使用的结构材质和生产质量不如知名品牌，甚至对塔机结构进一步优化，但标注的性能参数却相同甚至更高；一些塔机在基础节、附着所在标准节、基础节焊缝、附着杆等受力节点位置未考虑结构加强措施，单角钢片装式标准节在附着装置截面未设置对角腹杆或内撑杆等，这些均降低了塔机的安全性能。如案例1塔机说明书对附着框未要求配备内撑杆，塔身屈服点发生在最高道附着处，变形起始点在附着以下约2m处，而案例2中塔机最高道附着装置配有内撑杆，变形起始点发生在附着装置以上约4m处。通过对比两者的破坏位置，附着装置是否安装内撑杆，其变形起始点高度差达4～6m。如果案例1该塔机安装了内撑杆，该塔机可能不会倒塌。2.2.3设备制造质量差厦门理工学院项目中倒塌塔机出厂时间为2015年，因基础节主弦杆与底板法兰盘焊缝拉裂倒塌。这种形式基础节的主弦杆与水平腹杆在底板法兰盘上组装后焊接，主弦杆外侧焊2个接加强筋板，其强度比主弦杆焊接在底板上后再焊接410个加强筋板的型式差，再加上主弦杆与法兰盘焊缝存在明显的焊接未融合等质量缺陷，该部位存在安全隐患，见图13、图14。图13基础节主弦杆与底板法兰盘焊缝拉裂倒塌2.3安装、使用问题2.3.1塔机悬臂端高度偏大这次台风中塔机安装高度接近使用说明书中的极限值的受损较多，同一项目多台塔机中，独立使用高度或悬臂端高度大的塔机倒塌，而较低的未受损。案例111中该项目同一建筑物中使用两台相同型号、规格的塔机，因塔机交叉作业，倒塌的塔机悬臂端高度为34.5m，未受损的塔机为28.5m，两者仅差了6m。如果正常使用时将两台塔机悬臂端高度均降低2节标准节，也许可以避免倒塌事故的发生。又如距离案例1项目200m处的华尔顿1275项目，共8台塔机（含QTZ80，TC5610，TC6010等型号），没有一台发生倒塌或变形，除去塔机所处位置、塔机型式等不同等因素外，该项目的塔机在使用时悬臂端高度与说明书的要求相比留有较大的余量，均比说明书规定值降低了2～3个标准节，其中最高的2台塔机安装高度达180m，附着装置平均间距约为11.2m，最高附着的最小间距仅6m，大大提高了塔身结构的刚度，增强抗风能力，有效提高整机安全性，见图15。图15华尔顿项目塔机悬臂端高度及附着间距均较小2.3.2附着装置制作、安装质量差塔机附着框和附着杆通常由塔机制造厂生产，但因安装距离超长、或为省钱、省事等，常有现场自制的现象。现场自制的附着框以及超长、非标的附着杆，不少未经设计计算，存在截面小、抗拉性和抗压性差、连接部位有焊接工艺和质量缺陷等问题，在超强台风产生的倾覆力矩作用下，易发生结构破坏。（1）附着框结构、附着杆制作质量不可靠。案例5中：最高处附着框未使用原厂构件，制造质量差，在主框架与连接法兰焊接处破坏；内顶撑调节螺杆作为塔身结构与附着框的连接传力点，在强台风时，在内顶撑调节螺栓套与附着框因焊接质量差而先破坏，造成附着装置失效。案例6中：附着杆制造质量不合格，焊接工艺和焊接质量不达标；附着杆由槽钢多段随意对焊连接，焊缝在同一截面上，未错缝，且未设置加强板；附着杆与附12着框联接的耳板板厚达20mm，焊接时却未开焊接坡口；附着杆上缀条设置随意，未形成有效的格构式结构。（2）附着装置预埋螺栓安装质量不可靠。案例7中：附着装置各连墙基座仅使用4根M30预埋螺栓（通常为6～8根），预埋螺栓与主体结构拉结处受力增大；附着预埋螺栓与建筑物主体结构未有效连接，未固定在结构柱主筋上，仅拉设在φ10箍筋上，箍筋被拉断后预埋螺栓被拉脱；预埋螺栓所在的建筑结构处未采取加固措施，混凝土结构破坏。2.3.3使用接近报废年限的塔机或部件案例4中两台塔机出厂年限均为9年，接近报废年限。其中一台在第一节标准节下部连接套旁主弦杆断裂，另一台在第二节标准节下部连接套旁主弦杆断裂，且两塔独立使用高度均低于说明书要求，标准节钢结构力学性能已明显下降，使用存在较大安全隐患。个别倒塌的塔机标准节外形构造相同，但新旧不一，存在混用现象，图16中倒塌的塔机破坏部位发生在标准节连接套主弦杆处的金属结构，该部位锈蚀较严重。按《塔式起重机安全规程》GB5144规定，从2007年10月起塔机塔身标准节、起重臂节等主要结构件应具有可追溯出厂日期的永久性的标志，但不少制造厂未严格执行，而且规程实施前制造无标志的标准节等无法判断是否到达报废期限，对于报废标准节的混用目前尚无有效防范措施。2.3.4塔身连接螺栓松动13整体式标准节塔机因塔身连接螺栓螺纹破坏、螺栓断裂而倒塌的共20台，约占整体式标准节塔机倒塌的60%。螺栓破坏的原因之一是螺栓松动，主要原因为安装时连接螺栓紧固力矩达不到要求、使用过程中塔身承受频繁变化的力矩作用导致。案例3塔机为2016年出厂，在第二道与第三道标准节连接处螺栓螺纹破坏，标准节均未发生明显结构变形，破坏处不是塔身受力最不利位置，其原因明显为标准节连接螺栓松动。另外，高强螺栓多次重复使用也是造成螺栓破坏的重要影响因素，螺栓、螺母出现任何损伤、变形、滑牙、缺牙、锈蚀、螺纹粗糙度