塔式起重机是建设工地上应用最广、工作空间最大的起重机,因而塔机已为我国的建设事业做出了重大贡献。然而,由于塔式起重机安装得高、臂架伸得长、一般都是现场安装、施工中要经常顶升加高,因而塔式起重机比较容易引发事故,安全知识就特别重要。尽管从上到下,已一再强调要注意施工安全,有的地方也组织了培训班。但是不少单位和机构,在培训时只重学文件、学制度,技术知识的学习并没有引起足够重视,使得事故下降并不很明显。笔者近两年参于调查处理多起塔机事故,深感专业知识的缺乏,对塔机的安全构成重大威慑。引发塔机事故的因数多种多样,在这里,我想先谈谈压杆失稳对塔式起重机安全的威慑。

1　问题的提出
　　塔式起重机最可怕的事故是出现倒塔。一旦发生这种事故,往往是机毁人亡,损失惨重。特别是结构件,有的折弯,有的断开,有的撕裂,真是面貌全非。说句实话,面对这种情况,如果不具备一定的塔式起重机专业知识,要想对事故进行分析,是件很困难的事。但是,也有些地方在出了事故以后,只要看到发生了断裂,就认为是质量问题。而且特别容易做出材料不合格或者焊接质量有问题的结论,这是不太妥当的。固然,材料不合格和焊接不到位的现象是存在的,是事故隐患之一,但要做出结论仍然要有充分的事实依据。特别是对那些使用多年的塔式起重机,或是对那些多年来一直稳定批量供货的材料,要做这样的结论更应该慎重。因为塔式起重机发生破坏的因素很多,各种可能因素要进行对比。断裂只是一种现象,不一定是发生事故的原因。很多人容易看到的只是断裂现象。但断裂有内在质量缺陷引起的,还有属于连锁反应引起的,很多人却看不清。实际上,在塔式起重机结构中,压杆失稳引发的事故并不少见,可能比原发性受拉断裂还要多,所以我们必须深入了解压杆失稳对塔式起重机的安全威慑。此外,有限元软件的推广应用,有些人只注意计算节点应力,不进行压杆局部失稳校核,也有可能留下安全隐患,值得提起注意。

2　塔式起重机主要结构部件的受力分析

前面已提到:压杆失稳引发的事故并不少见,可能比原发性受拉断裂还要多。要理解这句话,我们就首先有必要对塔式起重机主要结构部件做出大概的受力分析。

2.1　底架和塔身

　　一台塔机,不管其受力怎么复杂,但对底架和塔身来说,其上部的载荷都可简化为一个正压力和一个弯矩,正如插图1所示。正压力使塔身的4根主弦均匀受压;而弯矩要靠主弦杆有拉有压来平衡。如在对角线平面内起吊,则标准节受力如图2所示,靠臂架一方主弦受压,靠平衡臂一方主弦受拉。也就是1号主弦受压,3号主弦受拉。正压力和弯矩组合后,1号主弦的压力是相加的,所以压力值就特别大,也最危险; 3号主弦的拉力要减去原来的均压力,所以其拉力值要小于1号主弦的压力的绝对值,就没那么危险。所以塔机设计人员最关心的是主弦杆压力。而一般人员常常以为拉断才是最危险的,这是一种直观错觉。他们不了解受压的危险性。

2.2　塔顶的受力分析
　　塔顶的受力主要来自平衡臂拉杆和起重臂拉杆。正如图3所示。可以看出: 平衡臂拉杆和起重臂拉杆的合力,对塔顶也构成一个正压力和一个弯矩。所以塔顶的受力与塔身类似,也是压弯联合作用,它的主弦杆受力状态,也是压力大于拉力。

2.3　起重臂的受力
　　起重臂的受力比较复杂,它与拉杆布置以及起吊位置有关。图4是一个双拉杆的起重臂受力分析简图。从图中可以看出:吊臂拉杆和小车牵引绳的水平分力,对吊臂构成一个压力,而吊臂自重和起吊载荷,使臂架产生铅直平面内弯矩,风力和回转惯性载荷,使吊臂产生水平侧向弯矩。这些内力组合,使起重臂仍然是处于压弯联合作用状态。毫无疑问,吊臂主弦的压力往往也是大于拉力。
　　从以上分析可知,塔机的主要结构部件,其杆件所受的最大内力,往往都是压力大于拉力,所以要高度注意压力对安全的威慑。

3　结构杆件的承载能力
　　受拉杆件,它的破坏形式可以是塑性伸长、拉断、或者疲劳开裂。对拉伸破坏大家都好理解,用不着多说。然而,受压杆件的破坏形式是什么呢？有的人就不那么清楚了。那就是局部失稳,或者说局部屈曲。
　　其实杆件局部失稳比拉断要危险得多！那到底什么是局部失稳呢？我们知道,拿一根细长杆,上面加压力,当压力不大时,杆子是直的,当压力一步步增加,突然,杆子会变弯,而且会丧失原有的承载能力,这就是局部失稳。产生由直变弯的这个压力就叫临界压力。临界压力的大小主要取决于杆件的长细比,与微观结构关系不大。杆件失稳,或者说屈曲,是突发性的,没有声响,不容易察觉，但一旦失稳就会降低或者丧失承载能力,所以危险性很大。

塔机标准节承载能力主要取决于受压的主弦杆,是局部失稳破坏。对于塔顶和臂架，因为也都是压、弯联合作用，情况与此类似，往往也是局部失稳破坏起主要作用。但塔机出事故时，事实上会看到多处断裂现象，这又该怎么看呢？这就需要分清:原始缺陷断裂和连锁反应断裂不同,现象和真正原因不是一回事。

4　关于质量缺陷断裂和连锁反应断裂的区别

当一台塔机发生事故后，现场看到的肯定是有结构件断裂，有杆件弯曲，有焊缝开裂，有的部件完全解体，面貌全非。进行事故原因分析是很困难的工作,必须深入调查，细致观察现场情况，从产品设计、材料选择、焊接质量、断裂面情况、现场操作、使用情况、载荷大小、使用经历、工作年限、安全装置和工作机构是否正常等各个方面，做出种种可能性设想。再应用科学分析手段，对所观察到的现象和调查了解到的情况，进行系统分析和逻辑推理。在分析中，要多提问题，多听取各方面意见，只要发现矛盾，要敢于否定自己的设想。最终必须找到一个能解释所观察到的现象、符合逻辑推理、让人们能够接受的分析结论。在分析过程中，专业知识是很重要的，要切忌只看现象、不究实质、想当然的轻易下结论。但不管情况怎么复杂，对于结构破坏，最重要的是必须要抓住载荷分析、应力分析和结构承载能力分析，因为任何破坏，总离不开是实际应力超过所能承受的极限应力才能引起。也就是说实际载荷超过了安全储备范围。你必须找到引起应力超值的原因。

对于承受压、弯联合作用的结构，前面我们已经分析过，承受压力的杆件，其安全储备系数最低，也即破坏往往由压杆局部失稳引起。但杆件失稳以后,其承载能力就要下降。实际上杆件失稳后,开始只是微弯,并不明显,若现场没有发现,还会继续使用。结果每起吊一次,弯曲挠度就增加一点,弯曲挠度越大,承压能力就越低,在外载荷不变情况下,受拉主弦的拉力就要增加。而对塔身来说,当标准节主弦弯曲时,该节距两端面就会靠拢,塔身上部就会开始倾斜。在倾斜后起重力矩还要增大,要平衡该起重力矩,受拉主弦的拉力就还要大大增加,这是受压主弦屈曲后必然发生的连锁反应。本来受拉主弦连接套附近或结点焊缝附近,就存在不可避免的应力集中,当拉力增大到一定值时,受不了了,就会发生断裂。这种断裂就是连锁反应断裂。这只是一种断裂现象,但不是发生事故的真正原因。

裂面是缺陷源处应力集中、裂缝慢慢扩大所留下的。如果没有看到旧断裂面的痕迹，而对面杆又有弯曲现象，那这种断裂就是屈曲失稳引发的连锁断裂。因为没有缺陷源的主弦杆，其破断拉力不可能低于临界压力。正是这样,才在这里提出要强调压杆失稳对塔式起重机的安全威慑。

5　提高理性认识,注意防止受压杆件失稳
　　通过前面的介绍,大家就会明白:对塔式起重机结构件来说,除了断裂破坏,还有一种更危险的破坏形式,那就是压杆局部失稳。当然，前面的介绍只是概念性的，要真正会设计计算还要考虑其他因素，但是能从只有单一的断裂破坏概念进入到懂得受压杆件局部失稳破坏，这在理性认识上已经提高了一步。对于使用单位和管理部门来说，提高关于压杆失稳对塔式起重机的安全威慑的理性认识很有必要。有的用户使用塔机，认为只要能吊起来就没事了，就是安全的，实际并非如此。因为他们不了解塔机结构件到底存在有那些危险因素，更不了解各种破坏因素的安全储备，所以各种各样的不自觉的违章作业较多，犯了错误还不知道；有的地方管理部门，抓安全不知道什么是要害，查安全不查安全装置是否正常，而是查一些无关紧要的地方；出了事故，不注意保护现场，尽快请专业机构和专业人员来帮助分析，而是在当地找一些人来看看，大家按自己的认识就讨论出一个说法。这样做是很不利于吸取教训、搞好安全生产的。有的地方只做一下金相分析,就给事故原因下结论,也是很不慎重的。因为金相分析只能定性地看一看材料或者焊缝的金相组织情况,并不能定量确定材料的承载能力,搞不清应力分布情况和各种安全因素的大小,这又怎么能找到真正的原因呢？实际上，塔式起重机是特种产品，是要许可证才能生产销售的，出了事故往往都是大事故，因此制造商还比较谨慎,所用材料基本上是大钢铁厂提供的大批量生产的材料,一般都会有质量保证书。低质量塔机产品也有，但不像其他商品那样容易出现假冒伪劣；到是在使用管理上，由于缺乏培训，特别缺少理性认识，要控制违章作业是比较困难的。因此我们一再呼吁，管理部门要重视加强技术培训,提高理性认识,切实有效地防止事故。其中防止压杆失稳就是一个重要方面。