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。在结构力学上临界压力是可以计算的。对于两端铰支的杆件，其临界压力：
Pcr=π2EJ/L2 （1）
式中: E为材料弹性模量
J为杆件截面惯性矩
L为杆件长度或结构部件中杆件的节距
　　在这里的计算式,主要是为了介绍失稳的概念和影响因素,更准确的计算还要考虑别的因素,不是几句话可以讲清楚的,不宜在这里多加论述。塔式起重机的结构设计特别要注意控制临界压力。在设计上,一般用临界压力除以杆件截面面积等于临界应力来控制,记作σcr ,而且一般控制在弹性范围内失稳,也即取:
σcr= Pcr/F=π2EJ/L2/F （2）
如果令 J=F×i2 代入上式，会得到
σcr= π2E/（L/i）2 =π2E/λ2 （3）
其中:λ= L/i i就是杆件的惯性半径，λ就叫杆件的长细比。
　　可以看到:临界应力只取决于杆件的弹性模量和长细比λ。
　　所有钢材,弹性模量都差不多,对局部失稳来说,主要就取决于长细比。有的塔机,为了减轻自重,采用了低合金钢代替普通碳素钢,这只能提高抗拉强度,并不能提高临界应力,要提高临界应力,还是要缩小长细比。要想保证在弹性范围内失稳,就要使σcr＜σS。并且令:=σcr/σS 叫做杆件的稳定系数。在弹性范围内失稳，其绝对值小于1。对Q235普通碳素钢和16Mn钢,对应不同的λ值,有不同的值,设计规范上有表可查。
我国现有的塔式起重机，结构件多用Q235型钢焊接而成。Q235为普通碳素钢材,σS=235MPa,σb=375～460MPa（见GB700-88）; 在塔机设计时,一般取容许应力 [σ]=170MPa 也就是说：
　　满应力时产生塑性伸长的安全系数为nS=235/170=1.38;
　　产生断裂的安全系数nb=380/170=2.23～2.64;
　　而压杆稳定系数的选取,与部件受力大小和重要性有关。例如对标准节的主弦杆,可以取=0.93～0.97。假如取=0.95,满应力时压杆的安全储备系数nY=235×0.95/170=1.31倍;就要低于nS和nb。
　　为了更安全,假定在设计时只取:σ压 =165 MPa
　　这时主弦杆受压实际的安全储备为: 235×0.95/165=1.35倍。
　　为了说明问题,我们举一个实例:
　　假如某台QTZ80tm塔机,其上部正压力取40t,则该塔机塔身每根主弦分摊的均压力就是10t。在满载条件下,假定受压主弦的最大计算压力是80t,则受拉主弦的最大计算拉力就会是60t。当受压主弦最大压应力取165 Mpa时，此时受拉主弦最大拉应力仅为: 124 MPa，比压应力要低得多！
　　主弦拉伸产生塑性变形的安全系数为: nS=235/124=1.89倍。
　　主弦拉伸产生宏观断裂的安全系数为: nb=380/124=3.06倍，比n压=1.35 要高得多！所以一般情况下不容易发生主弦拉伸断裂。而是主弦杆的局部失稳。
　　通过上面的分析,说明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（见图5）。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。