大连风暴潮塔吊倒塌破坏原因分析

　　2007年3月4日晚，大连遭遇罕见的风暴潮袭击。本次风暴潮共造成市区建筑工程现场的8台塔吊和4台物料提升机倒塌。3台塔吊起重臂折断，直接经济损失约700余万元。特别是3月5日凌晨，一续建工程的近百米高的塔吊倒塌，造成工地周边建筑物的毁坏和人员伤亡，严重影响了周边居民的生活安全。塔吊倒塌相比其他施工机械设备损失经济价值高，危险性大，社会影响大。为吸取教训，总结经验，我们进行了塔吊抗风破坏倒塌情况的专项调查与分析。认为施工现场的塔吊在设计、制造、安装、使用和管理过程中，均存在不同程度的缺陷，应采取必要的预防措施和对策，以保证建筑施工安全。

　　1破坏原因分析

　　1．1强冷空气袭击

　　根据大连市气象局气象资料记载，因贝加尔湖强烈冷空气影响2007年3月4日17时，风向为西北风，风速为8．5米／秒，风速等级为5级，其中有6个时间段的风速达到17．0米／秒，风向为东北风，风速等级为7到8级，最大的一次风速达到19．4米／秒，风向为东北风，风速等级为8级；3月5日0时45分，风向为北风，风速为8．0米／秒，风速等级为5级，其中有8个时间段的风速达到19．0米／秒，风向为西北风，风速等级为8级，最大的一次风速达到22．3米／秒，风向为西北风，风速等级为9级。期间极大风向为西北风，风速为28．8米／秒，风速等级为11级。由于在建的高层建筑较多，使用塔吊的数量也较多；并且由于时值正月十五，多数工地并未开工，采取相应措施不及时所以造成塔吊受损倒塌相应集中。

　　1．2设计制造缺陷

　　(1)抗风能力不足。塔吊抗风性能存在一定缺陷，本次台风倒塌的8例塔吊，大部分实际自由高度未超过设计允许自由高度。根据《塔式起重机设计规范》(GB／T13752—92)规定，塔吊非工作状态的抗倾覆稳定性计算中，计算风压取值按照大连地区地面0~20米高度为800Pa，相当于风速36．1米／秒，同时规定特殊情况下，在可能出现更大暴风地区时，可按用户与制造厂协议规定更高计算风压值。在没有实际经验的情况下，生产厂家设计部门设计计算风压取值一般取800Pa。生产厂家未考虑大连地区实际情况，设计计算风压取值偏小，导致塔身强度和刚度不足，引起塔身弯折倒塌。

　　(2)设计使用说明书内容不全。由于未充分考虑沿海台风较为频繁及可能超强度的因素，多数塔吊使用说明书仅标注正常工况为6或8级风力，但未提出强风力情况及台风时的应对措施，也无相关文字说明和警示，因塔吊使用说明书内容不全，导致施工现场不能正确采取相应的应对措施。

　　(3)附墙杆及连接不规范。强风袭击时，附墙杆既受拉，又受压，因附墙杆及连接不规范，造成塔吊倒塌破坏的特征为，最高一道附墙杆先失稳破坏．塔身上部悬臂高度相应加大，导致在第二道附墙杆上部塔身弯折倒塌。附墙杆及连接不规范主要表现在一是附墙杆长细比过大，抗压强度不足，造成附墙杆扭曲，本次台风中有附墙杆倒塌塔吊中，有3例长细比过大(规范规定钢管允许长细比λ≤120，实际钢管最大长细比达到193)，抗压强度不足而扭曲变形，占37．5％；二是附墙杆形式多样，有厂家直接生产的，有工地自制的，有采用小口径钢管的，有采用大口径钢管的．有采用方钢管的，有采用型钢桁架式的；三是连接不规范，有采用钢管直接垂直与预埋钢板焊接的，有采用连接环加螺栓连接的，有采用与预埋钢板耳板加螺栓连接的。本次台风中8例有附墙杆倒塌塔吊中，附墙杆端部脱焊3例．占37．5％；中部对接或连接处脱焊2例．占25％；连接环断裂1例，占12．5％；调节螺栓剪断2例，占25％；调节螺栓拉断2例，占25％。

　　(4)塔吊用材问题。破坏倒塌塔吊采用角钢的占88．89％，说明采用角钢的塔吊抗风能力较差。但从风暴潮后完好塔吊调查结果对比分析，采用角钢的塔吊占76．66％。标准节采用角钢的塔吊安然无恙，虽然角钢抗扭性能较差，但如果角钢的材质及长细比合理，安装和使用合理，也能保证安全。

　　1．3安装使用问题

　　(1)自由高度过高。本次台风倒塌的塔吊中，有1例实际自由高度超过设计允许自由高度，占11．11％；有7例实际自由高度达到或接近设计允许自由高度，占77．78％。因塔吊本身不具抵抗强台风能力，设计允许自由高度已不符合实际情况，自由高度大意味着塔吊受风面积大，受约束少．易产生较大挠度，易引起塔身弯折倾斜甚至倾覆。部分施工企业对强风中塔吊自由高度过高危险性认识不足，个别管理人员甚至对其概念认识模糊。在安装或顶升过程中，施工企业为节省成本和工期，塔吊自由高度一般都达到或略低于允许高度限值，个别塔吊由于场地客观原因，例如附着于较低楼层而作用于较高楼层，自由高度达到允许限值。而塔吊使用说明书中所提到的允许自由高度限值都相对于一定的设计风力条件，一般说明书仅标注出6或8级为可吊物的正常工作状态设计风力条件，而没有提及非工作状态设计风力条件。本次瞬间风力达12级以上，强度大，速度快，工地缺乏应对经验及防范意识，未采取或来不及采取降低高度措施。如3月5日凌晨，一续建工程现场，塔吊安装高度112．5米，根据气象资料记载以及专家现场实测数据进行比较，可以推算出事发时的即时风速估计为45．72米／秒，相当于14级，加之高层楼群之间的风动力学效应，使局部风力进一步加强。因此该塔机在强风不停的吹刮下，相当于塔机受到强大的长时间的交变载荷作用，使其金属结构在第二道附着架处产生疲劳破坏，造成自塔身第11-12标准节处折断。

　　(2)旧塔吊使用问题。8例倒塌塔吊，有2例是已周转多年的旧塔吊，其构件相应老化，在本次台风中未按旧塔吊技术条件而降格使用，出现了塔身在最高附墙杆上部弯折倒塌情况。

　　(3)吊臂回转装置失灵。由于《建筑机械使用安全技术规程》(JGJ33-2001)规范中有明确规定，建设行政主管部门一再强调，施工单位配合重视，强风到来之前施工工地贯彻落实放松塔吊回转限位措施情况较好。8例倒塌塔吊中有一例自由高度虽未超高，但由于吊臂回转装置失灵，台风袭击时，吊臂未能回转至与风向平行，使得高空中塔吊受风投影面积相对增大，承受较大风压，导致所有附墙杆全部拉断。另有工地目击者反映，塔吊是在台风风向由东北风突然转变为东南风的时候塔身折断，且统计8例塔吊倒塌时间有4例时间相近，依此判断在阵风风向突然转变的瞬间，可能发生塔吊吊臂不能及时回转至与风向平行情况，导致受风投影面积增大造成塔身弯折。事实证明，保证吊臂与风向平行是一项有效的基本抗台措施，吊臂不能灵活回转具有极大的危险性。有些塔吊回转装置发生故障甚至平时运行中表现出回转困难，放松回转限位后吊臂不能随风灵活转动，就不能保证吊臂与风向立刻平行。

　　(4)基础抗倾覆能力不足。8例倒塌塔吊中，有1例工业厂房工程因厂房低塔吊高，同时塔吊达到最大独立高度，基础承受较大倾覆力矩，由于基础没有经过设计，桩基础承载力不足，导致基础承台和上部塔吊整体倾翻。该工程项目部技术力量弱，对桩基础未履行方案设计及审批程序，凭经验随意配筋，造成基础承台背风一侧桩基下沉，迎风一侧桩基拔断。

　　2对策和措施

　　大风是不可抗拒的自然灾害。切实增强防台抗台观念，积极采取有效措施，提高施工现场塔吊的防风抗风能力，这是需要引起建设主管部门、塔吊生产厂家和施工企业高度重视的一个重要课题。作为在本次风暴潮袭击中遭受重大损失的施工企业和塔吊生产厂家，更应从中吸取教训，总结经验，加强塔吊在设计，制造、安装、使用和维护过程中的质量安全管理，全面提高塔吊的质量安全管理水平。

　　2．1提高塔吊设计抗风能力

　　从本次塔吊防风抗风实际看，如果塔吊自身不具抵抗强风袭击能力，单凭大风来临前采取降低自由高度等防台措施，是被动的，也是不现实的。降低自由高度措施虽然能避免塔吊受损，但在当前科学技术条件下，大风走向、登陆时间、地点和风力风速变化常不能提前准确预报，工地管理者往往存在侥幸心理，当大风来临时，工地己来不及采取降低自由高度措施。因此，只有提高塔吊自身设计抗风能力，才能有效解决塔吊抗台问题。生产厂家应针对塔吊使用地区实际情况，对塔吊抗风设计作相关改进，对产品质量特别是焊接质量进行严格把关，并在塔吊使用说明书中明确塔吊抗风能力及防台相关措施：施工单位在购置、租赁塔吊时应了解塔吊的抗风性能。

　　2．2规范附墙杆制作和安装

　　塔吊附墙装置应严格按塔吊使用说明书要求实施和安装，严禁自制附墙装置。特殊情况附墙装置需另行设计制造时，也应由原生产厂家设计制造。附墙装置设计内容应包括附墙杆强度(抗拉和抗压)、长细比和稳定性验算，构件连接方法和验算，预埋件做法和要求等。

　　2．3提高塔基抗倾覆能力

　　塔吊基础应严格按塔吊使用说明书要求组织施工。塔吊承台及桩基施工必须有专项施工方案。并经设计、复核和审批。不得心存侥幸，盲目施工。

　　2．4加强塔吊的使用管理

　　(1)合理选择塔吊安装位置。在风力较强地区，确定塔吊安装位置时，应尽可能选择在背风面，避开迎风面。在沿海的大部分地区，塔吊安装位置应选择在建筑物的西面或南面，尽量不要在建筑物的北面或东面安装塔吊。

　　因场地条件限制不能选择时，附墙杆应采取加强措施。

　　(2)严格塔吊安拆和验收备案制度。要按照《建设工程安全生产管理条例》的规定建立塔吊安拆和验收备案制度。杜绝无证产品、无证安拆和无证操作。严禁未经检验、验收和备案擅自投入使用。

　　(3)重视塔吊的检修和保养。企业对每台塔吊要建立跟踪管理档案、保养计划及执行记录。塔吊安装前，应对塔吊各机构及所有焊缝进行全面检查，使用过程中要加强对塔身、附墙杆、机构、电气箱、广告牌、灯具及其连接牢固情况的检查．消除使用前和使用过程中的安全隐患。每台塔吊上应备有塔吊工作日志，值班塔吊司机应认真填报当日塔吊工作概况、使用时间、环境条件、塔吊各机构运行情况以及所进行的保养情况。同时要加强对塔吊回转装置的检修和保养，保证吊臂能随风自由灵活旋转。

　　(4)控制塔吊自由高度。进入大风季节，工地应对塔吊降格使用作为一项主要季节性安全措施，不具抵抗强风袭击的塔吊，其最高附墙杆以上或无附墙杆的自地面以上自由高度不得大于七节标准节高度或20米。施工过程中，塔吊应随施工层升高，及时架设附墙杆，避免一步到位。

　　(5)建立大风预警防范机制。工地应通过广播、电视、网络、气象信息电话等多种媒体手段预先了解天气情况，高层建筑应在塔吊顶端不挡风处配置无线风速仪。强风来临前，应启动应急预案，采取应急措施，塔吊吊臂预先回转至与风向平行，吊钩升至最高位，回转范围内不得有障碍，放松回转限位刹车，停止作业并切断电源。强台风来临前，有可能时应尽早采取措施降低自由高度。如遇准确超强风预报，高层建筑塔吊应提前拆除1—2道附墙杆，使塔吊吊臂和平衡臂低于建筑物，并与建筑物主体结构连接牢固。

　　特别值得注意的是，若使用单位违反操作规程，增加该型号塔吊独立式起升高度至62．8米(增加1个标准节)，则底部结构弯矩值将超过510t?m，大大超过许用倾覆弯矩。

　　3塔吊防台风预案

　　每当台风登陆之即，各地区建设单位、建筑施工企业、建设行政主管部门均高度重视，紧急动员，塔吊的防台风紧急措施摆到了重要位置。实际上，根据塔吊的结构特点和使用特点就塔吊的使用单位来说，防台风预案从塔吊产品的采购就开始了。

　　3．1塔吊采购

　　依据《塔式起重机技术条件》，制造厂应规定作用在地面或支撑结构上的载荷。提供的资料应说明这些载荷(包括非工作风载荷)的适用工况；依据《塔式起重机安全规程》，制造厂应提供塔吊正常工作年限或者利用等级、载荷状态、工作级别以及各种工况的许用风压。因此，塔吊的使用单位有权利在采购合同中明确塔吊非工作状态的许用风压，掌握塔吊抗台风的能力。特殊地，如果用户需要在可能出现更大级别台风地区使用，可与制造厂协议规定更高的许用风压，制造厂可以通过加强塔身结构，增加基础抗倾覆能力等措施解决。

　　在塔吊产品性能参数中，塔吊独立安装高度是抗台风能力的重要指标。额定起重力矩相同，其抗台风能力并不一定相同；额定起重力矩大，其抗台风能力并不一定强。塔吊产品的抗台风能力主要取决于塔身结构强度，在非工作工况的许用风压一定的条件下，最大独立安装高度较大的优于较小的。因此用户可以选择独立安装高度较大的产品。留有必要时降低安装高度的余地。

　　3．2塔吊使用

　　在相关标准法规和操作使用规程中，保证塔吊能够抵御台风的规定很多，实际上保证塔吊正常工作的能力就是保证塔吊能够抵御台风的能力。按规定保证混凝土基础的抗倾翻稳定性。保证基础持力层地面压应力、保证塔吊非工作状态顺风自由回转、保证独立高度和悬臂高度在限制范围内等等。特别值得重视的是塔吊附墙装置设计、制作和安装，这是事故发生的集中区。其设计必须考虑到塔吊工作状态和非工作状态中最不利载荷组合，并预留足够的安全系数；附墙杆件的张角在制造厂商提供的范围之内；附墙杆件的建筑支撑结构强度应得到建筑设计单位确认。

　　3．3防台风紧急措施

　　案例：某市关于进一步加强建筑工地防御第九号台风的紧急通知

　　各区、市建设行政主管部门，各施工、建设、监理单位，第九号台风登陆我市之际，塔吊应采取以下紧急措施：

　　(1)自升式塔吊有附着装置的，在最上一道附着以上自由高度超过说明书设计高度的，应朝建筑物方向设置两根钢丝绳拉结。

　　(2)自升式塔吊未附着，但已达到设计说明书最大独立高度的，应设置四根钢丝绳对角拉结。

　　(3)一次性架设的非自升式塔吊，应设置四根钢丝绳对角拉结。

　　(4)拉结应用中Φ15以上的钢丝绳，拉结点应设在转盘以下第一个标准节的根部；拉结点处标准节内侧应采用大于标准节角钢宽度的木方作支撑，以防拉伤塔身钢结构；四根拉结钢丝

　　绳与塔身之间的角度应一致，控制在45°-60°之间；钢丝绳应采用地锚、地锚筐或与建筑物已达到设计强度的混凝土结构联结等形式进行锚固；钢丝绳应用左右丝拉钩进行调整，使钢丝绳松紧适度，确保塔身处于垂直状态。

　　(5)凡塔身设有标牌、横幅等悬挂物的，应立即清除；塔身上存有易坠物的，必须立即清除。

　　(6)塔身螺栓必须进行全部紧固，塔身附着装置应全面检查，确保无松动、无开焊、无变形。

　　(7)严禁对塔吊前后臂进行固定，确保自由旋转。塔机的避雷设施必须确保完好有效，塔吊电源线路必须切断……

　　以上紧急措施我们认为第(1)条是不合适的，甚至起到相反效果。自升式塔吊附着后，附着以上自由高度超过设计高度是严重的违章操作!其悬臂端部载荷已经不能保证塔吊工作状态或非工作状态的安全性，如果朝建筑物方向设置两根钢丝绳拉结，钢丝绳的张力则更进一步增加悬臂端部载荷，进而增加抵御台风的风险。假设按此措施实施，塔吊使用单位的违章责任则转化为建设行政主管部门的责任风险。

　　其余紧急措施有的是塔吊正常工作状态必须保证的，有的则不能在全市范围内一概而论。建筑施工现场工程结构、起重设备、周围环境都比较复杂，防台风应急预案最重要莫过于台风信息的迅速传递，包括热带气旋的生成、预计影响我市的时间、在我市登陆的风速。防台风应急预案最有效的措施是降低塔吊的安装高度，达到削减结构载荷的目的。就城市而言有条件组成防台风专家组，公布电话，针对不同的现场情况进行有效的抗台风指导。

　　3．4塔吊的风险管理

　　风险的解释是“损失或伤害的可能性”。为什么强调塔吊的风险管理?我们认为风险管理是建筑起重机械重要的管理观念，风险管理就是通过风险的识别、预测和衡量、选择有效的手段，以尽可能低的成本，有计划地处理风险，以获得企业安全生产的经济保障。由于建筑起重机械高、大、重的特殊性，又有复杂多变使用环境，其使用风险是客观存在的，不以人们意志为转移。强调风险管理首要是强调建筑起重机械的日常工作管理，即”紧急情况”发生前的风险管理，避免或减少风险事故发生的机会。从塔吊抗台风的角度来讲，我们可以通过提高建筑施工现场塔吊抗台风安全可靠度来达到降低风险的目的，能够在台风多发的沿海地区，通过管理手段控制风险!手段之一是在施工现场塔吊配置时进行综合评价。根据我们的经验，通常使用的水平臂塔吊。综合评价主要涉及塔吊结构、附墙连接、基础、环境，引入可靠度系数ε，且：

　　ε=ε1xε2xε3xε4≥0．94

　　ε1：根据塔吊产品品质，使用年限，安装调整等整体情况评价，取0．7、0．85、1．0；

　　ε2：根据附墙连接设计制作安装情况、基础根据抗倾覆稳定性和基础持力层强度评价，取1．0；

　　ε3：根据塔吊覆盖范围内环境复杂程度和当地台风风速历史记录评价，取0．8、0．9、1．0；

　　ε4：根据塔吊安装高度取值，设计高度、降低5％、降低10％、降低15％、降低20％、降低25％：1．0、1．11、1．24、1．39、1．58、1．81。

　　特别强调附墙连接是由于在统计中其事故几率最高，而降低风险的成本最低，必须保证高可靠性。塔吊产品品质的可靠度级差比较大是由于其存在较大的不确定性。

　　假如前3项评价可靠度评价结果都很高，设备有理由按产品使用说明书配置。假如塔吊产品品质一般，塔吊覆盖范围内环境复杂、当地台风有超风速历史记录，必须通过降低塔吊安装高度达到确保安全的目的。

　　因此，只要掌握风险发生的因果关系，风险是完全可以管理的。

　　4结束语

　　随着气象预报科学技术水平提高，台风的生成、移动路线、登陆地点、危害程度已能够预测，为塔吊的防台风措施提供了条件。今年实施的《塔式起重机安全规程》(GB5144-2006)对塔吊设计制造和使用提出了更高要求。我们相信只要掌握了塔吊抗台风的客观规律，严格按现行国家及行业标准设计制造塔吊，严格按现行国家及行业标准使用塔吊，坚持塔吊使用日常工作管理、坚持全过程的风险管理，塔吊VS台风的结果完全可以由使用者掌控。