摘要  根据现浇双曲线冷却塔施工过程中发生的塔吊倒塌重大工程事故，阐述事故发生的背景、原因及处理程序和方法。关键词  双曲线冷却塔；独立式塔式起重机；工况；事故处理

概述  重庆市开县某发电厂拟建三个相同的双曲线冷却塔工程，该冷却塔淋水面积2000m²,塔高70m,塔中心至环基距离R=28．306m，池壁半径R=27．445m，喉部半径R= 14．5，冷却塔壁厚最小为120mm，属逆流式自然通风冷却塔，其筒壁混凝土的强度等级为C30。
双曲线冷却塔属变截面变壁厚的薄壳结构，具有筒壁薄、坡度大、直径大、变截面、变坡度、变直径、先向内收坡再向外翻坡等特点，给施工带来诸多不便，如由于筒壁强度和刚度较小，刚性附着困难，因此，垂直运输问题是其中一个难题。
    该工程通过招投标，确定了设计单位、施工单位和监理单位。
　　双曲线冷却塔由于壁厚小而高度大，其垂直运输问题不易解决，专业施工队伍通常采用多孔井架作为运输机械，据测算，本工程若采用多孔井架需60万元购置费，本工程施工单位非专业队伍，建设地点远离本部，不可能购置专用井架，因而只能因地制宜，考虑利用现有QTZP4513型塔吊。根据本工程特点，最初采用塔吊附着方案，拟附着3道：即在标高18．00 m 、38．00 m、55．00 m处分别附着一道，实际施工过程中，塔吊刚性附着了第一道，当冷却塔筒壁施工至35 m标高位置时，第一道支撑处筒壁混凝土因局部承压强度不够而破坏，支撑穿过筒壁，塔身晃动，经过测试，支撑作用在冷却塔筒壁上的水平力达40 kN。显然，对于薄壁结构的冷却塔采用刚性附着方案难度相当大。为此，在参照多孔井架工作原理的基础上提出了独立式塔式起重机运输方案，即取消原塔吊的附着装置，用常规Ф48×3．5脚手架钢管及扣件将原单孔塔吊加固成5孔塔吊。于是施工单位委托设计单位进行计算并出具具体施工方案，经过计算，表明：独立式塔吊原塔身结构强度有裕量，但刚度和整体性很差，而架管部分（即加固部分）则局部强度和稳定性不满足要求。为此，将架管部分结构悬挂起来，使其立柱下端脱离基础，参见图2，但未设置缆风绳和水平双斜杆，且钢管立杆为：0～20 m 范围为双立杆；62．5～70．0m范围为双立杆。
　　此方案批准后开始实施，并完成了1^＃冷却塔的施工。当2冷却塔筒壁主体施工至6 5m标高处时，第二天晚上，整个塔吊塔身从5．0m标高支撑处到80．0m标高范围倒塌，落在空地上，塔身扭曲变形严重，经检查，塔吊完全报废，脚手架钢管80%不同程度发生变形，造成直接经济损失70万元，由于场地开阔，所幸无人员伤亡和其他财产损失。

1　工程事故原因分析

发生倒塌事故后，经调查，该事故属三级重大事故，建设单位、施工单位和监理单位立即召开紧急会议，采取临时措施，并研究事故原因。
　　1)　立即采取有效措施，控制和保护事故现场，并拍摄大量的图片资料。
　　2)　总监牵头，由建设单位、施工单位和监理单位共同商议，写出事故报告想有关主管部门汇报。
　　3)　由总监牵头，组织有关专家和人员进行事故调查和分析，从方案的计算和施工操作方面进行检查。
1．1　首先对该方案的计算进行复核
　　即对独立式塔吊结构分析进行计算和复核。经检查计算书，发现未考虑非工作状况。QTZP4513型塔吊额起重力矩为607．5kNm，起重臂长45m，塔身截面尺寸为1．7m×1．7m，节间距1．25m，其中横杆和斜腹杆采用∠90×8，弦杆10m以下和以上分别采用∠160×16和∠140×14。
　　独立式塔吊高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，为了较为全面地研究塔吊独立的可能性，利用有限元原理将塔吊及加固部分展开，采用空间桁架程序PODST进行计算，计算考虑以下情况 ：
　　1)　工况1　塔吊吊臂位置如图1（a）所示，起重机正常工作状态下的计算风压作用方向垂直吊臂，基本风压值取250　N／m²，不考虑风载高度系数；塔身自重10m以下为5．3kN／m，以上为3．8　kN／m，架管沿竖向的自重为1．7 kN／m。塔吊所受外力见表1。

图 1　塔吊吊臂位置图

表1　各工况下塔吊所受外力汇总表

2)　 工况2　塔吊吊臂位置如图1（b）所示，起重机工作状态下最大计算风载沿吊臂方向作用，基本风压值取250N／m²，不考虑风载高度系数，塔吊所受外力见表1。
3）　工况3 　塔吊吊臂位置仍为图1（b）所示，起重机为非工作状况，考虑风 载系数，计算风压值取600　N／m² 。塔身结构是否考虑风振系数β，目前尚有争议，因此本文对两种情况均加以考虑。塔 身所 受的风荷载见表2，其中工况3（1）、3（2）分别为工况3不考虑和考虑β的情况，在工况3下由于塔身位移较大，因而应当考虑重力的二阶效应。表中，M_a、M_b分别为 起升平面和回转平面力矩；P_x、P_y分别为塔机70m以上部分传来的x和y方向的集中风载；P为塔机70m以上部分的结构总重；M_n为塔身所受的扭矩；P_wx、P _wy分别为作用于塔身x方向和y方向的线风荷载，架管的线风荷载分别取P_wx和P _wy的一半；M_g为塔身的重力二阶效应。

图2　塔身加固图

　　为了与设计单位计算做比较，整个加固方案计算考虑以下情况：
(1)第一工况(不加缆风)；(2)第二工况(不加缆风)； (3)第一工况(加缆风)；(4)第三工况(加缆风，不考虑风振系数)；(5)第三工况(加缆风，考 虑风振系数)。

表2　工况3线风荷载计算表单位：N／m

图3　塔身剖面图

　　采用空间桁架程序对塔机进行有限元分析和计算，塔机的剖面如图 3所示。图中圆圈内数字为塔机展开图单元序号；节点处数字为节点和主肢杆件编号序列号i (i=1,2,......,12)。根据展开图单元序号和节点序号将各孔展开并进行节点和杆件编号，如图4和图5所示。
　　计算结果表明，各杆件的内力均满足要求，表三为各种条件下部分控制应力比及相应的杆件编号。
　　从复核和计算的结果，可以得出以下结论：
　　1)在各工况条件下，塔吊自身杆件的应力比较小（一般只有0．40左右），也就是说，塔吊的承载力有裕量，独立式塔吊取消了刚性附着装置而，依靠四孔脚手架能够保持稳定的独立状态；由于支撑条件发生了变化，塔吊对风荷载的作用较为敏感，就整个独立式塔吊而言，破坏将首先出现于脚手架钢管（尤其是57．5～60　m范围内），然后导致塔身内力变化，造成塔吊整体失稳而发生倒塌事故）。
　　2)加固方案实际上由非工况条件控制，为了对塔机（包括 塔身和架管）沿竖直方向的位移有直观了解，选取节点序列编号1以上各点（ 包括节点1 至57）和节点序列编号4以上各点（包括节点172至228），将这些节点的位移曲线如图6所示，其中非工况Ⅲ_a和非工况Ⅲ_b分别表示第三工况不考虑风振和第三工况考虑风振系数的 情况）。在进行内力分析和计算时，根据塔吊的实际工作情况，设定节点115、172、229、2 86的X、Y方向的位移为0。

图4

图5

　　由图6可以看出：
　　（1）非工况下塔肢位移比工作状况下为大 ；
　　（2）塔肢位移大致呈弯曲变形；

表3　各种 条件下部分控制应力比及相应的杆件编号

（3）架管节点位移比塔肢同样高度的节点位移大。

图6　部分塔身节点位移图

　　3)设计单位计算时仅考虑塔吊的工况而未考虑塔吊的非工况条件，导致加固方案有误，且未设置缆风绳也是错误的。
1．2　 对施工操作的检查
　　事故发生的前一天，当地天气预报预报次日将发生6级大风，按规定，6级及以上大风条件下塔吊应停止工作，即塔吊应处于非工况条件。而当晚，塔吊操作人员将塔吊处于工作状态，按照《建筑机械使用安全技术规程》（JGJ33－86），塔吊工作后，臂杆应转到顺风方向，并放松回转制动器，小车及平衡重应移到非工作状态位置。如施工单位得知天气预报后积极采取措施，如加设缆风，塔吊也不至倒塌，因此，塔吊操作不当和措施不力也是导致事故发生的重要因素。

2　加固方案   分析和计算表明，只要计算条件考虑周全、正确，且构造得当，独立式塔吊的加固方案是可行的。经过分 析和计算，采取以下加固措施：
　　由图6可知，非工况条件下塔肢的位移最大，其值为115mm，小于允许位移H/250（280mm），按本加固方法的各杆件的稳定性和强度均满足要求 。
　　1)　为了减少塔身位移，在塔身四肢60　m标高处拉一道风缆，缆风绳采用GB11 02－72普通结构钢丝绳，钢丝7×7，股1＋7，直径D不小于25．5mm，缆 风 绳应对称布置，见图7，偏角α不得超过15°，缆风绳与地面的夹角不超过45°。在安装和施工中应随时监测塔顶位移，不得超过允许位移H／250；

图7　塔身缆风绳布置图

2)　在5m标高处设置钢管支撑，在塔身五孔内设置水平抗扭支撑；
　　3)　标高0～25m之间的脚手架立杆采用双立杆。
　　4) 当考 虑风振系数时，独立式塔机脚手架架管部分局部加固成双立杆和三立杆，即从50～62 ．5m标高范围内采用三立管（或等效截面的钢管或型钢），62．5～70．0m采 用双立管，而57．5～70　m范围内的斜杆、水平杆均采用双立管；
　　5)　不考虑风振系数时，独立式塔机脚手架架管部分局部加固成双立杆和三立杆，即从57．5～60．0 m标高范围内采用三立管（或等效截面的钢管或型钢），60．0～62．5节间和顶层均 采用双腹管；根据具体情况，本工程加固方案不考虑风振系数。
　　6）　塔身60m标高处设置剪刀撑。
　　7)　架管荷载由与塔身相连接的水平钢管承受（间距为1．25m），并 传递至塔身，从力学和结构上看，类似“层层挑”结构。水平架管与立管通过扣留件连接， 节点的最大荷载为0．30　kN，而扣件螺丝拧紧力矩为40～50　N^.M时，每个扣件的允许负 荷为10．4　kN＞0．3　kN，因此节点强度满足要求。由于节点是十分重要的部位，在施 工过程中，必须保证拧紧力矩达到规定值，并随时检查。

3　结束语   上述加固方案能抵抗较大的风荷载，在开县电厂双曲线冷却塔施工中，该塔吊正好处于两座冷却塔之间的风洞位置上，尽管承受了成倍的风荷载，该塔吊仍能正常工作，使用效果良好，并取得了良好的经济效益。独立式塔吊运输方案产生于特定的工程背景，但仍具有可借鉴性，采用此方案时，必须根据具体工程进行计算，计算时，必须将各种条件考虑周全，尤其是非工况下风荷载的计算，另外，注意根据具体情况，设置缆风绳。目前，双曲线冷却塔的运输方案已呈多样化，如多孔井架、柔性附着折臂式塔吊等，独立式塔吊作为其中的一种具有一定的推广价值。