海南強臺風塔式起重機傾覆原因分析與建議

李 明，李鋼強，殷晨波

（1.江蘇省建筑科學研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇省建筑安全與設備管理協會，江蘇 南京 210005；3.南京工業大學機械學院，江蘇 南京 211800）

海南強臺風塔式起重機傾覆原因分析與建議

李 明1，李鋼強2，殷晨波3

（1.江蘇省建筑科學研究院有限公司，江蘇 南京 210008；2.江蘇省建筑安全與設備管理協會，江蘇 南京 210005；3.南京工業大學機械學院，江蘇 南京 211800）

通過2014年海南遭受強臺風中大量塔機倒塌的事故現象，分析了塔機產品制造、使用、管理方面的原因，并提出塔機在常遇臺風區域使用的技術措施與管理對策。

塔式起重機；臺風；附著；獨立高度

1 風災概況

2014年7月18～19日，超強臺風“威馬遜”先后在海南、廣東、廣西三次登陸，造成23人死亡，近500萬人受災，其中海南為重災區。根據海口氣象臺報道，該臺風的最大風力達18級，風速達65m/s。據事后統計，海南省在本次臺風中至少有119臺塔式起重機與33臺其他類型的起重機械倒塌、110臺塔式起重機受到不同程度損傷，造成嚴重的經濟損失。

臺風過后，海南省建筑機械協會邀請江蘇省、廣東省建筑安全與設備管理協會到瓊協助調查。調查組走訪了臺風登陸的?？谑小⑽牟h，在座談會上發言，對施工設備在海南省的氣象環境中塔機倒塌原因的意見基本一致，并從技術上、管理上提出諸多建議，得到了海南省建筑安全管理部門的重視。

2 塔機倒塌狀況

2.1 塔機受損概況

2.1.1 調查塔機受損統計

調查組對7個事故現場20臺倒塌、受損塔機現場查勘，主要有以下5個方面的表現形式：①螺栓連接失效（含連接套焊縫脫落）倒塌6臺，占調查事故塔機的30%；②主肢失穩6臺，占調查事故塔機的30%；③附墻桿失效5臺，占調查事故塔機的25%；④回轉半徑范圍障礙碰撞共2臺，占調查事故塔機的10%；⑤基礎失效1臺，占調查事故塔機的5%。

2.1.2 調查現場現象

在調查組對事故現場查勘過程中，還觀察到3個現象：①同一個區域半徑內，平頭塔機一臺未倒塌，但尖頭式塔機成片倒塌；②同一個工地上，自由高度較高的塔機倒塌而自由高度較低的塔機未受損；③幾乎所有倒塌或受損塔機在臺風來臨前均未作降塔、下降套架或塔身進行鋼絲繩拉結加固，而在相同區域內甚至同一工地內未發生倒塌和嚴重變形的塔機都在臺風前采取了相應的措施，且這些施工單位或租賃單位在日常塔機管理中都有相應的制度和配備了專人管理。

另有一現象也值得深思，即絕大部分塔機倒塌的租賃單位都未交設備財產保險，個別交過設備財產保險的租賃企業由于資金暫時困難沒有續保，因而后悔不已。

2.2 塔機倒塌案例

1)中移動海南分公司大樓為34層混凝土核心筒+鋼結構建筑，在臺風到達時，核心筒已施工24層，鋼結構已施工14層，之間高差約35m未安裝鋼結構，塔機最高附著裝置以上獨立高度超過40m。塔機附著在建筑物迎風面外圍鋼臨邊柱上。在強烈的臺風中，塔身最高附著裝置處發生折彎現象，塔機倒塌在建筑物14層施工平面內，配重墜落到地面，起重臂、平衡臂根部銷軸未脫落，垂掛在建筑物臨邊立面上，見圖1、圖2。

圖1 中移動海南分公司大樓7035塔機倒塌

圖2 塔機折彎處局部

2）海口海岸-費拉城為18層小高層住宅樓建筑群，主體結構已經封頂，每座樓使用一臺QTZ63型塔機施工，采用兩道附著裝置，當臺風迎風作用下，塔機兩道附著裝置先后屈曲失穩，塔機倒向建筑物，塔身撞擊到建筑物樓頂臨邊后發生斷裂，斷落在樓頂上，平衡臂后檔桿撞斷，平衡塊墜落，見圖3。

圖3 附著在順風墻面上的QTZ63型塔機附著桿失穩導致整機倒塌

3）?？趪痦椖繛楦邔觿判凿撝炷量蚣芙Y構辦公樓建筑群，其中左1、左2樓與右1、右2樓分兩家建筑公司施工。臺風來臨時已施工到30層左右，各塔機均附著在背風墻面上，塔機最高附著裝置以上獨立高度20～30m不等。在臺風期間，左1、左2樓的7035塔機獨立高度達30m以上，該塔機最高附著裝置因外橫桿斷裂而解體，塔機在該截面以上部分折斷墜落，塔身在該截面以下4～5節因片裝節點處腹桿焊縫破壞或腹桿拉斷而解體，見圖4、圖5。

圖4 國瑞左1、左2樓2臺7035塔機折斷墜落

圖5 國瑞左2塔機附著框架與塔身解體

4）文昌月亮灣項目地處海濱，為（7+1）層現澆剪力墻結構聯排別墅群、27層現澆剪力墻結構高層住宅，采用多臺QTZ40、QTZ63塔機施工，附著在建筑物背風或迎風墻面上。多層聯排別墅塔機安裝高度約30m，在超強臺風作用下，安裝在迎風墻面上的塔機最高附著裝置附近的塔身標準節連接螺栓斷裂，導致整機倒塌，見圖6、圖7，安裝在背風面上的塔機附著框架連接附著桿的連接板銷軸孔邊緣破壞，附著桿脫落，附著失效，塔機順風倒塌，見圖8、圖9。

圖6 海南文昌海濱月亮灣項目迎風面塔機塔身折斷

圖7 文昌海濱月亮灣項目背風面附著框架損壞導致塔機倒塌

圖8 迎風面塔機塔身主肢桿螺栓拉斷

圖9 背風面塔機附著框銷軸耳板撕裂

3 塔機倒塌原因分析

根據以上各工地塔機倒塌圖片顯示的狀態，分析倒塌原因如下。

3.1 塔機獨立高度偏大

中移動海南分公司大樓塔機（圖1）最高附著裝置安裝在14層臨邊鋼柱上，而核心筒已經施工到24層，間距10層，而施工中塔機吊鉤應超過最高施工作業面至少2個層高，至少獨立高度12層，該建筑物標準層層高3.6m，塔身獨立高度已超過40m，雖該高度尚符合7035塔機的允許獨立高度，但在臺風作用下，塔身在最高附著裝置截面超載承受了很大的風力彎矩，導致塔身在順風面內的水平桿、斜腹桿失穩屈曲，塔身主肢桿間距減小，塔身整體截面變小，使靠建筑物一側主肢桿承受的軸壓力更進一步增加直至失穩、斷裂，塔身向建筑物側倒塌。施工單位認為，形成塔機獨立高度偏大的原因是鋼結構制作單位未能按進度完成鋼結構柱、梁的加工，導致現場主體鋼結構安裝大大滯后于混凝土核心筒施工，兩者相差了10層，而該類建筑施工時鋼結構通常僅落后核心筒5～6層，因此塔機不得不以大獨立高度狀態吊裝鋼結構件并面臨臺風。

從?？趪痦椖?臺7035塔機折斷墜落狀態看（圖5），塔機的最高附著裝置附著在施工樓面向下8層樓面臨邊，層高3.2m，加上吊裝空間約10m，塔身獨立高度接近40m，且該樓位于樓盤邊緣，背風面后即為大片空地，使風力作用更顯強勁。該塔機附著裝置為四桿體系，附著框架外桿在外拐角處的附著桿拉板發生斷裂，附著桿墜落；從圖7塔身解體狀態看，塔身解除該處約束后向外傾覆，并撕裂下方3～4節塔身而墜落。在常規氣象環境中使用，該塔機上述獨立高度可能未超高，即使承受內陸非工作工況的30～40m/ s風速下亦能安全使用，但在本次風速60m/s以上的超強臺風中必然倒塌。

3.2 附著裝置安裝處塔身平面結構不穩定

在塔機工作工況或非工作工況中，附著裝置的承受起重偏心力矩或風載荷偏心力矩產生的水平載荷。中移動海南大廈項目倒塌的7035塔機塔身為4片組裝式，在附著裝置截面未安裝對角腹桿。對于具有對角腹桿整體焊接式塔身，附著裝置的安裝標高往往按照建筑物上附著點的位置設定，即使安裝在上，附著裝置也難以恰好安裝在該截面上。因此，對于整體焊接塔身，具有水平腹桿的塔身連接面外側焊接了螺栓連接套管，附著裝置只能安裝在無腹桿處的4根主肢桿外圍，對于7035、23B、36B等片裝式塔身，如未在附著裝置截面安裝對角腹桿，即使安裝在具有水平腹桿的截面上，由主肢桿、腹桿構成的塔身正方形仍為不穩定結構，承受水平載荷的能力均較差，主肢桿容易發生橫向彎曲，水平腹桿、斜腹桿容易發生失穩屈曲。經查閱該塔機《使用說明書》，附著裝置處塔身內應安裝水平支撐腹桿，但現在市場上的租賃公司多未予安裝，在設計范圍內極限工況中，不能保障安全。

3.3 附著桿截面偏小

在建筑工程應用中，受現場各種原因制約，塔機經常超遠附著，該狀態中附著裝置的強度控制條件為壓桿穩定性，即附著桿承受軸壓力時的穩定性承載能力。在海南臺風塔機倒塌狀況來看，附著在迎風墻面上的塔機多面臨該工況。

從?？诤０?費拉城項目倒塌塔機（圖3）狀態看，塔機附著在建筑物迎風墻面上，附著距離達到8～10m甚至更遠，按比例測量，格構式桁架附著桿截面偏細。根據當地業內人士反映，海南很多塔機租賃企業采用的超遠附著桿往往只按原先標準距離附著桿的截面加工，與原有標準附著桿連接加長，并未增大截面，承受軸壓力的能力也大為降低，在臺風作用下，該塔機的兩組附著桿自上而下先后發生失穩，導致塔機倒塌。

從文昌月亮灣項目塔機（圖7）狀態看，附著在建筑物迎風墻面上，附著距離僅有3～4m，屬標準距離附著，遭受超強臺風時，僅有的一道附著裝置安然無恙，在附著裝置附近的塔身標準節連接螺栓螺紋處被拉斷，塔機倒向建筑物。

3.4 在海南氣象環境中使用內陸塔機

根據海南建筑機械協會提供的信息，海南省所使用的塔機均由大陸省份生產，均僅適用于大陸的氣象環境，海南用戶也未對生產廠家提出塔機設計、制造時予以加強的要求。在海南使用的塔機每年要數次面臨超出設計強度的臺風作用，因此均不同程度地存在安全隱患。

3.5 面臨超強臺風，塔機未采取避災措施

1）僥幸心理導致未作為 海南每年均要經歷數次臺風，登陸地點不定、風力變化不定，在如此氣象環境中施工，必然應考慮塔機的使用安全。正是臺風登陸地點、風力強度的不確定性，使施工單位以往屢屢備而無功，因而產生了僥幸心理，避災準備漫不經心，未充分準備，當這次臺風真來了，猝不及防，釀成重災。

2）塔機避災經費未落實導致不作為 總包單位或土建施工單位往往認為塔機是租賃來的，塔機租賃公司應承擔塔機使用過程中發生的所有費用，包括在臺風前為避災加固塔機或降低塔機獨立高度的費用，而塔機租賃公司認為抵抗臺風的費用在合同中未予專門說明，因此該費用應由用戶支付，在經濟拉鋸戰中，雙方均心存僥幸而維持塔機現狀，直至按常規使用工況安裝的塔機不能承受超強臺風而倒塌。

4 塔機在強風環境中避災的建議

建筑機械設備管理應體現全方位的管理，它涉及從技術標準、產品設計與制造、設備租賃、安裝（安裝檢測）、使用、監管等各環節的管理。塔機在強風環境中的避災工作應注重各環節的管理，缺一不可。

4.1 技術規程與管理標準

塔機現行相關標準GB3811-2008《起重機設計規范》、GB/T13752-1992《塔式起重機設計規范》、GB5144-2006《塔式起重機安全規程》、GB5031-2008《塔式起重機》、GB20304-2006《塔式起重機穩定性要求》等，均不同程度地提出了塔機承受非工作工況風載荷的要求，在管理層面上均未對遇臺風所采取對策作出相關規定。

1）GB3811-2008要求“可根據當地氣象資料提供的10m高處50年一遇10min平均風速來確定瞬時風速（但不大于50m/s）?！辈⒃诒?-9中規定“南海諸島的非工作工況計算風壓為1500N/m2（風速50m/s）”，另指出“沿海地區、臺灣島、南海諸島港口大型起重機防風系統的設計風速VⅢ應不小于55m/s”。

2）GB/T13752-92要求內地非工作工況風壓按800Pa選取，沿海風壓按1100Pa選取，未述及南海諸島的非工作工況風壓取值。

3）GB/T13752-20XX（征求意見稿）要求與GB3811-2008相同。

4）GB5144-2006未提出非工作工況風壓數值要求。

5）GB5031-2008要求按GB20304-2006《塔式起重機穩定性要求》的規定。

6）GB20304-2006《塔式起重機穩定性要求》未規定風載荷數值要求。

上述標準、規范述及的非工作工況的設計風壓均小于本次海南臺風風載荷的強度，并不意味著塔機倒塌全部歸咎于臺風。在海南省，即使臺風頻發也要使用塔機。將塔機結構設計成具有超強抗風能力，設備成本必然高昂，也不科學，適當加強金屬結構，結合富有成效的管理措施，則可規避風險。因此，GB3811-2008、GB/ T13752（征求意見稿）僅要求非工作工況計算風壓取1500Pa（風速50m/s）是合理的，在此范圍內依靠塔機自身結構強度抵抗，當風速超過該數值時，可通過加強風前技術管理、敦促用戶采取規避措施來降低風險。海南現有塔機設計多執行GB/T13752-92，抗風能力顯然不足，如何在臺風中屹立不倒，是建筑安全管理部門面臨的問題。新設計的塔機在海南使用，建議編制海南地方標準，制定產品在海南風環境中的設計與使用要求，并在型式檢驗、工程應用檢測中監檢。

4.2 對塔機鋼結構進行抗風設計

塔機設計單位可采用空氣動力學原理優化設計各構件、部件的外形。構件的矩形截面、方角、實心形狀風阻顯然大于圓截面、圓角、透風構件的風阻，而安裝在高處且無使用功能的廣告牌等構件，風阻尤為顯著，應予以合理規避。關于塔機各部位、各種形式鋼結構的風阻系數在GB/ T13752《塔式起重機設計規范》、GB50009-2012《建筑結構荷載規范》中有一定的規定，但不夠全面，有待于高校、科研機構經研究、實驗測定。

4.3 優選塔機形式

塔機工作參數相等時，平頭塔機的迎風面積顯然小于塔帽式塔機，故前者的抗風能力顯然優于后者。在海南臺風中，未見平頭塔機傾覆，可按使用環境要求優選機型。

4.4 臺風前適減塔機獨立高度

在海南氣象環境中，用戶雖按《使用說明書》規定的參數安裝塔機附著裝置，但遇臺風時塔身最高附著桿支反力可能超載，況且附著裝置所在截面多無對角腹桿，在附著框架的水平反力的作用下，塔身標準節近墻側主肢桿單肢產生了略大的橫向變形ΔX并偏離垂線，且有風載在塔身截面上產生的彎矩MX2轉換為近墻主肢桿上垂直壓力NZ，與上述ΔX的乘積為附加力矩，易使塔身在最高附著裝置截面處的內側主肢桿壓應力超載而產生失穩，導致塔身折彎、傾覆。

塔身在最高附著截面上承載最大，該截面為危險截面，向下各道附著桿反力迅速遞減。附著間距的大小與下方附著桿反力、塔身結構內力的大小相關，與最高附著反力無關。在非工作工況中決定危險截面是否超載的主要因素是風載荷與塔機獨立高度。海口市國瑞工程項目中，有2棟樓塔機倒塌，在同一工地另一建筑公司施工的2棟樓與其并列且建筑結構、施工進度相同，施工所用規格近似的整體塔身式塔機，因及時降低獨立高度為20多米而成功避災，見圖10。因此塔機在臺風前適當降低獨立高度，可減小迎風面積，減小塔身最高附著裝置截面上的結構內力，有效提高安全性。

圖10 國瑞項目右1、右2樓塔機及時降高而成功避災

4.5 保證起重臂隨風轉功能

塔機設計回轉制動器為常開式，直至起重臂臂尖指向風向，即起升立面平行于風向，處于平衡穩定狀態。塔機上部如不能實現隨風轉，塔身實際承受的風力增加，危險截面承受的彎矩大大增加，受壓主肢桿的壓力增加，可能產生單肢失穩。不能實現隨風轉的原因為回轉支承裝置保養缺失，回轉阻力矩較大，或有物體卡在齒輪副齒間。確保起重臂能實現隨風轉功能，是有效且重要的抗風避災方式。

4.6 規范附著桿系的使用

塔機購買時配置的均為標準附著尺寸桿系，使用中多按該尺寸設計塔機與建筑物墻面的間距，但在生產實際中因地基基礎、建筑結構以及管理原因，在建筑結構上不能實現標準化安裝，導致附著桿加長或縮短、附著桿角度變化等情況，如相關人員對非標準安裝會引起附著反力較大變化無清晰認識，盲目使用，將留下巨大的安全隱患。尤其是常見的超遠附著應用，附著桿的長度增加、角度的變化，但圓管或格構式附著桿的截面不增加，導致長細比增加，穩定系數減小，結構應力增加，大大降低了安全度；況且，增加附著桿長度，也增加了附著桿結構承受的自重應力、風載應力。租賃商、用戶應在海南的氣象環境中，對附著裝置進行強度、剛度、穩定性復核計算，通不過的應適當增加截面。

4.7 建立有效的管理機制

建筑機械設備管理是全方位的管理，涉及設備制造、租賃、安裝、安裝檢測、使用（施工單位）、監管等各個單位，除設備安裝、施工單位外，其他單位的資質管理都不在建設行政主管部門的管理范疇，如何統籌各方面的管理應值得有關部門的思考。

針對這次受災影響最大的海南省，專家們建議：海南省的施工項目每年數次面對臺風襲擾，因此可建立臺風預警、安全監督管理、用戶自覺行動的管理機制，明確各方面的責任、義務與經濟關系，才能有效避免風災，減少經濟損失，確保設備與人員安全。實際上，這一建議中隱含著這兩個重要課題的研究。

隨著我國改革深入發展，簡政放權、減少審批已大勢所趨，但并不意味著是要弱化建筑機械設備管理，反而是要加強。加強建筑機械設備管理就是要建立一個有效的管理機制，這就是建章立制，以各環節的安全管理責任主體來約束各有關單位，以有效的監管機制來規范各方面的管理。

首先建筑機械設備安全管理責任主體的研究。要明確各方面的責任、義務與經濟關系，才能有效避免風載，減少經濟損失，確保設備與人員安全。實際上，在相應的法規及規范中，對設備制造、租賃、安裝、安裝檢測、使用（施工單位）、監管等各個單位都有相應的管理要求，只不過是在實施過程中沒有嚴格執行相應的管理總規定和規范而已，有的地方將各相關單位捆綁管理，實行所謂的一體化管理，使得各責任主體的責任更加不明，難以實施。因此建議有關部門應這種研究相關責任主體責任，在原有的基礎上更加細化明確，使得各責任主體切實承擔起自己應有的責任。

其次是建立有效的建筑機械設備安全監管機制的研究。建筑機械設備安全監管機制并不是指某一監管機構，而是現代社會化的管理模式包括企業、行業的自律管理模式?，F在的建筑機械設備安全監管實際存在各自為政的現象，要解決這一個問題，并不是要加強某一監管部門或機構的權利，也不是將眾多的責任主體捆綁在一起管理。我們可借鑒國外一些先進的管理經驗，一方面依法管理、嚴格執法，另一方面加強監督、發揮社會的力量和行業協會作用。隨著依法治國的理念深入人心，必將促進建筑機械設備管理理論及水平邁向一個新的臺階。

（編輯 吳學松)

Hainan powerful typhoon tower crane overturning reasons analysis and suggestions

LI-Ming, LI Gang-qiang, YIN Chen-bo

TH212；TH213.3

B

1001-1366(2015)11-0025-06

2015-09-10