雙曲線冷卻塔獨(dú)立式塔機(jī)倒塌事故處理

雙曲線冷卻塔獨(dú)立式塔機(jī)倒塌事故處理摘要根據(jù)現(xiàn)澆雙曲線冷卻塔施工過(guò)程中發(fā)生的塔吊倒塌重大工程事故，闡述事故發(fā)生的背景、原因及處理程序和方法。關(guān)鍵詞雙曲線冷卻塔；獨(dú)立式塔式起重機(jī)；工況；事故處理概述重慶市開(kāi)縣某發(fā)電廠擬建三個(gè)相同的雙曲線冷卻塔工程，該冷卻塔淋水面積2000m2,塔高70m,塔中心至環(huán)基距離R=28．306m，池壁半徑R=27．445m，喉部半徑R=14．5，冷卻塔壁厚最小為120mm，屬逆流式自然通風(fēng)冷卻塔，其筒壁混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30。雙曲線冷卻塔屬變截面變壁厚的薄殼結(jié)構(gòu)，具有筒壁薄、坡度大、直徑大、變截面、變坡度、變直徑、先向內(nèi)收坡再向外翻坡等特點(diǎn)，給施工帶來(lái)諸多不便，如由于筒壁強(qiáng)度和剛度較小，剛性附著困難，因此，垂直運(yùn)輸問(wèn)題是其中一個(gè)難題。該工程通過(guò)招投標(biāo)，確定了設(shè)計(jì)單位、施工單位和監(jiān)理單位。雙曲線冷卻塔由于壁厚小而高度大，其垂直運(yùn)輸問(wèn)題不易解決，專業(yè)施工隊(duì)伍通常采用多孔井架作為運(yùn)輸機(jī)械，據(jù)測(cè)算，本工程若采用多孔井架需60萬(wàn)元購(gòu)置費(fèi)，本工程施工單位非專業(yè)隊(duì)伍，建設(shè)地點(diǎn)遠(yuǎn)離本部，不可能購(gòu)置專用井架，因而只能因地制宜，考慮利用現(xiàn)有QTZP4513型塔吊。根據(jù)本工程特點(diǎn)，最初采用塔吊附著方案，擬附著3道：即在標(biāo)高18．00m、38．00m、55．00m處分別附著一道，實(shí)際施工過(guò)程中，塔吊剛性附著了第一道，當(dāng)冷卻塔筒壁施工至35m標(biāo)高位置時(shí)，第一道支撐處筒壁混凝土因局部承壓強(qiáng)度不夠而破壞，支撐穿過(guò)筒壁，塔身晃動(dòng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，支撐作用在冷卻塔筒壁上的水平力達(dá)40kN。顯然，對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)的冷卻塔采用剛性附著方案難度相當(dāng)大。為此，在參照多孔井架工作原理的基礎(chǔ)上提出了獨(dú)立式塔式起重機(jī)運(yùn)輸方案，即取消原塔吊的附著裝置，用常規(guī)Ф48×3．5腳手架鋼管及扣件將原單孔塔吊加固成5孔塔吊。于是施工單位委托設(shè)計(jì)單位進(jìn)行計(jì)算并出具具體施工方案，經(jīng)過(guò)計(jì)算，表明：獨(dú)立式塔吊原塔身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有裕量，但剛度和整體性很差，而架管部分（即加固部分）則局部強(qiáng)度和穩(wěn)定性不滿足要求。為此，將架管部分結(jié)構(gòu)懸掛起來(lái)，使其立柱下端脫離基礎(chǔ)，參見(jiàn)圖2，但未設(shè)置纜風(fēng)繩和水平雙斜桿，且鋼管立桿為：0～20m范圍為雙立桿；62．5～70．0m范圍為雙立桿。此方案批準(zhǔn)后開(kāi)始實(shí)施，并完成了1＃冷卻塔的施工。當(dāng)2冷卻塔筒壁主體施工至65m標(biāo)高處時(shí)，第二天晚上，整個(gè)塔吊塔身從5．0m標(biāo)高支撐處到80．0m標(biāo)高范圍倒塌，落在空地上，塔身扭曲變形嚴(yán)重，經(jīng)檢查，塔吊完全報(bào)廢，腳手架鋼管80%不同程度發(fā)生變形，造成直接經(jīng)濟(jì)損失70萬(wàn)元，由于場(chǎng)地開(kāi)闊，所幸無(wú)人員傷亡和其他財(cái)產(chǎn)損失。1工程事故原因分析發(fā)生倒塌事故后，經(jīng)調(diào)查，該事故屬三級(jí)重大事故，建設(shè)單位、施工單位和監(jiān)理單位立即召開(kāi)緊急會(huì)議，采取臨時(shí)措施，并研究事故原因。1)立即采取有效措施，控制和保護(hù)事故現(xiàn)場(chǎng)，并拍攝大量的圖片資料。2)總監(jiān)牽頭，由建設(shè)單位、施工單位和監(jiān)理單位共同商議，寫(xiě)出事故報(bào)告想有關(guān)主管部門(mén)匯報(bào)。3)由總監(jiān)牽頭，組織有關(guān)專家和人員進(jìn)行事故調(diào)查和分析，從方案的計(jì)算和施工操作方面進(jìn)行檢查。1．1首先對(duì)該方案的計(jì)算進(jìn)行復(fù)核即對(duì)獨(dú)立式塔吊結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行計(jì)算和復(fù)核。經(jīng)檢查計(jì)算書(shū)，發(fā)現(xiàn)未考慮非工作狀況。QTZP4513型塔吊額起重力矩為607．5kNm，起重臂長(zhǎng)45m，塔身截面尺寸為1．7m×1．7m，節(jié)間距1．25m，其中橫桿和斜腹桿采用∠90×8，弦桿10m以下和以上分別采用∠160×16和∠140×14。獨(dú)立式塔吊高80m，架管部分即加固部分高70m，端部最大起重量Q小于等于10．0kN，為了較為全面地研究塔吊獨(dú)立的可能性，利用有限元原理將塔吊及加固部分展開(kāi)，采用空間桁架程序PODST進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算考慮以下情況：1)工況1塔吊吊臂位置如圖1（a）所示，起重機(jī)正常工作狀態(tài)下的計(jì)算風(fēng)壓作用方向垂直吊臂，基本風(fēng)壓值取250N／m2，不考慮風(fēng)載高度系數(shù)；塔身自重10m以下為5．3kN／m，以上為3．8kN／m，架管沿豎向的自重為1．7kN／m。塔吊所受外力見(jiàn)表1。2)工況2塔吊吊臂位置如圖1（b）所示，起重機(jī)工作狀態(tài)下最大計(jì)算風(fēng)載沿吊臂方向作用，基本風(fēng)壓值取250N／m2，不考慮風(fēng)載高度系數(shù)，塔吊所受外力見(jiàn)表1。3）工況3塔吊吊臂位置仍為圖1（b）所示，起重機(jī)為非工作狀況，考慮風(fēng)載系數(shù)，計(jì)算風(fēng)壓值取600N／m2。塔身結(jié)構(gòu)是否考慮風(fēng)振系數(shù)β，目前尚有爭(zhēng)議，因此本文對(duì)兩種情況均加以考慮。塔身所受的風(fēng)荷載見(jiàn)表2，其中工況3（1）、3（2）分別為工況3不考慮和考慮β的情況，在工況3下由于塔身位移較大，因而應(yīng)當(dāng)考慮重力的二階效應(yīng)。表中，Ma、Mb分別為起升平面和回轉(zhuǎn)平面力矩；Px、Py分別為塔機(jī)70m以上部分傳來(lái)的x和y方向的集中風(fēng)載；P為塔機(jī)70m以上部分的結(jié)構(gòu)總重；Mn為塔身所受的扭矩；Pwx、Pwy分別為作用于塔身x方向和y方向的線風(fēng)荷載，架管的線風(fēng)荷載分別取Pwx和Pwy的一半；Mg為塔身的重力二階效應(yīng)。圖2塔身加固圖為了與設(shè)計(jì)單位計(jì)算做比較，整個(gè)加固方案計(jì)算考慮以下情況：(1)第一工況(不加纜風(fēng))；(2)第二工況(不加纜風(fēng))；(3)第一工況(加纜風(fēng))；(4)第三工況(加纜風(fēng)，不考慮風(fēng)振系數(shù))；(5)第三工況(加纜風(fēng)，考慮風(fēng)振系數(shù))。表2工況3線風(fēng)荷載計(jì)算表單位：N／m圖3塔身剖面圖采用空間桁架程序?qū)λC(jī)進(jìn)行有限元分析和計(jì)算，塔機(jī)的剖面如圖3所示。圖中圓圈內(nèi)數(shù)字為塔機(jī)展開(kāi)圖單元序號(hào)；節(jié)點(diǎn)處數(shù)字為節(jié)點(diǎn)和主肢桿件編號(hào)序列號(hào)i(i=1,2,......,12)。根據(jù)展開(kāi)圖單元序號(hào)和節(jié)點(diǎn)序號(hào)將各孔展開(kāi)并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)和桿件編號(hào)，如圖4和圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明，各桿件的內(nèi)力均滿足要求，表三為各種條件下部分控制應(yīng)力比及相應(yīng)的桿件編號(hào)。從復(fù)核和計(jì)算的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：1)在各工況條件下，塔吊自身?xiàng)U件的應(yīng)力比較?。ㄒ话阒挥?．40左右），也就是說(shuō)，塔吊的承載力有裕量，獨(dú)立式塔吊取消了剛性附著裝置而，依靠四孔腳手架能夠保持穩(wěn)定的獨(dú)立狀態(tài)；由于支撐條件發(fā)生了變化，塔吊對(duì)風(fēng)荷載的作用較為敏感，就整個(gè)獨(dú)立式塔吊而言，破壞將首先出現(xiàn)于腳手架鋼管（尤其是57．5～60m范圍內(nèi)），然后導(dǎo)致塔身內(nèi)力變化，造成塔吊整體失穩(wěn)而發(fā)生倒塌事故）。2)加固方案實(shí)際上由非工況條件控制，為了對(duì)塔機(jī)（包括塔身和架管）沿豎直方向的位移有直觀了解，選取節(jié)點(diǎn)序列編號(hào)1以上各點(diǎn)（包括節(jié)點(diǎn)1至57）和節(jié)點(diǎn)序列編號(hào)4以上各點(diǎn)（包括節(jié)點(diǎn)172至228），將這些節(jié)點(diǎn)的位移曲線如圖6所示，其中非工況Ⅲa和非工況Ⅲb分別表示第三工況不考慮風(fēng)振和第三工況考慮風(fēng)振系數(shù)的情況）。在進(jìn)行內(nèi)力分析和計(jì)算時(shí)，根據(jù)塔吊的實(shí)際工作情況，設(shè)定節(jié)點(diǎn)115、172、229、286的X、Y方向的位移為0。由圖6可以看出：（1）非工況下塔肢位移比工作狀況下為大；（2）塔肢位移大致呈彎曲變形；3)設(shè)計(jì)單位計(jì)算時(shí)僅考慮塔吊的工況而未考慮塔吊的非工況條件，導(dǎo)致加固方案有誤，且未設(shè)置纜風(fēng)繩也是錯(cuò)誤的。1．2對(duì)施工操作的檢查事故發(fā)生的前一天，當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)預(yù)報(bào)次日將發(fā)生6級(jí)大風(fēng)，按規(guī)定，6級(jí)及以上大風(fēng)條件下塔吊應(yīng)停止工作，即塔吊應(yīng)處于非工況條件。而當(dāng)晚，塔吊操作人員將塔吊處于工作狀態(tài)，按照《建筑機(jī)械使用安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ33－86），塔吊工作后，臂桿應(yīng)轉(zhuǎn)到順風(fēng)方向，并放松回轉(zhuǎn)制動(dòng)器，小車(chē)及平衡重應(yīng)移到非工作狀態(tài)位置。如施工單位得知天氣預(yù)報(bào)后積極采取措施，如加設(shè)纜風(fēng)，塔吊也不至倒塌，因此，塔吊操作不當(dāng)和措施不力也是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要因素。2加固方案分析和計(jì)算表明，只要計(jì)算條件考慮周全、正確，且構(gòu)造得當(dāng)，獨(dú)立式塔吊的加固方案是可行的。經(jīng)過(guò)分析和計(jì)算，采取以下加固措施：由圖6可知，非工況條件下塔肢的位移最大，其值為115mm，小于允許位移H/250（280mm），按本加固方法的各桿件的穩(wěn)定性和強(qiáng)度均滿足要求。1)為了減少塔身位移，在塔身四肢60m標(biāo)高處拉一道風(fēng)纜，纜風(fēng)繩采用GB1102－72普通結(jié)構(gòu)鋼絲繩，鋼絲7×7，股1＋7，直徑D不小于25．5mm，纜風(fēng)繩應(yīng)對(duì)稱布置，見(jiàn)圖7，偏角α不得超過(guò)15°，纜風(fēng)繩與地面的夾角不超過(guò)45°。在安裝和施工中應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)塔頂位移，不得超過(guò)允許位移H／250；圖7塔身纜風(fēng)繩布置圖2)在5m標(biāo)高處設(shè)置鋼管支撐，在塔身五孔內(nèi)設(shè)置水平抗扭支撐；3)標(biāo)高0～25m之間的腳手架立桿采用雙立桿。4)當(dāng)考慮風(fēng)振系數(shù)時(shí)，獨(dú)立式塔機(jī)腳手架架管部分局部加固成雙立桿和三立桿，即從50～62．5m標(biāo)高范圍內(nèi)采用三立管（或等效截面的鋼管或型鋼），62．5～70．0m采用雙立管，而57．5～70m范圍內(nèi)的斜桿、水平桿均采用雙立管；5)不考慮風(fēng)振系數(shù)時(shí)，獨(dú)立式塔機(jī)腳手架架管部分局部加固成雙立桿和三立桿，即從57．5～60．0m標(biāo)高范圍內(nèi)采用三立管（或等效截面的鋼管或型鋼），60．0～62．5節(jié)間和頂層均采用雙腹管；根據(jù)具體情況，本工程加固方案不考慮風(fēng)振系數(shù)。6）塔身60m標(biāo)高處設(shè)置剪刀撐。7)架管荷載由與塔身相連接的水平鋼管承受（間距為1．25m），并傳遞至塔身，從力學(xué)和結(jié)構(gòu)上看，類(lèi)似“層層挑”結(jié)構(gòu)。水平架管與立管通過(guò)扣留件連接，節(jié)點(diǎn)的最大荷載為0．30kN，而扣件螺絲擰緊力矩為40～50N.M時(shí)，每個(gè)扣件的允許負(fù)荷為10．4kN＞0．3kN，因此節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度滿足要求。由于節(jié)點(diǎn)是十分重要的部位，在施工過(guò)程中，必須保證擰緊力矩達(dá)到規(guī)定值，并隨時(shí)檢查。3結(jié)束語(yǔ)上述加固方案能抵抗較大的風(fēng)荷載，在開(kāi)縣電廠雙曲線冷卻塔施工中，該塔吊正好處