塔式起重機（以下簡稱塔機）是一種高危戶外特種設備，由于其起升高度高、工作幅度大、工作效率高、結構輕巧，已經(jīng)在建筑施工中得到了廣泛的應用。塔機的安全性能要求非常高，同時對施工進度影響很大，一旦發(fā)生倒塔事故涉及面很寬，極有可能發(fā)生群死群傷的特大事故。隨著塔機越來越廣泛地使用，塔機的安全事故也頻頻發(fā)生，據(jù)統(tǒng)計，2005年全國共發(fā)生建筑施工安全事故1010起，死亡1195人，其中不乏塔機事故。
　　為保證塔機的安全使用，國家相繼頒發(fā)了《塔式起重機安全規(guī)程》、《塔式起重機技術條件》、《塔式起重機操作使用規(guī)程》、《起重用鋼絲繩檢驗和報廢實用規(guī)范》、《建筑機械使用安全技術規(guī)程》以及《特種設備安全監(jiān)察條例》、《建設工程安全生產(chǎn)管理條例》和《建筑施工安全檢查標準》等標準和法規(guī)，對建筑工地用起重機械的制造、安裝和使用進行了約束，然而由于各種因素，目前我國塔機事故率仍然居高不下，因此，提高塔式起重機械的可靠性和使用壽命成為目前亟待解決的問題。
　　1、我國塔式起重機現(xiàn)存的問題
　　目前，我國塔機在設計、制造、使用等方面存在如下問題：
　　（1）塔機超年限使用。
　　根據(jù)國外文獻，zui大起重量小于10t的塔機的使用壽命為10年，等于或大于10t的塔機的使用壽命為16年，而據(jù)對施工單位和塔機生產(chǎn)廠家的的調(diào)查，目前施工單位使用的塔機中有相當數(shù)量是20世紀60、70年代設計、應屬淘汰的機型，而且這些塔機一般服役時間較長，部分已達20-30年。
　　目前國家相關標準沒有確定塔機的強制報廢年限，有些塔機使用了20余年仍在服役，已大大超出了其設計壽命，其可靠性根本得不到保證。特別是安全裝置及防護措施不全，結構腐蝕嚴重及受力件塑性變形，致使整機功能降低，這樣的塔機使用中的安全隱患尤為突出，zui易發(fā)生安全事故。
　　（2）塔機使用環(huán)境及地域不確定。
　　工程機械大都在野外工作，環(huán)境條件相當惡劣，不僅要經(jīng)受風吹雨打、日曬雨淋，還要遭受雷擊、冰凍等的影響，高溫時可達60℃以上，低溫時到了20℃以下。
　　雖然國家標準對塔機使用環(huán)境的風力有明確規(guī)定，但在不同地區(qū)施工時塔機所受風載差別很大，在不同地域工作尤其是冬季環(huán)境溫度相差很大。普通結構鋼脆性斷裂的臨界轉(zhuǎn)變溫度為-20℃，如果在低于這個溫度的環(huán)境下工作并受應力集中、材質(zhì)不均勻等因素的影響，鋼結構件就容易發(fā)生脆性斷裂。
　　（3）塔機出現(xiàn)疲勞裂紋。
　　由于受各種技術條件的制約，塔機金屬結構在材質(zhì)、構造形式及制造、加工、安裝等方面都不可避免地存在一定的缺陷，這種缺陷在重復載荷的作用下，就會形成許多裂紋源并逐漸擴展。疲勞裂紋斷續(xù)而且細小，存在于焊縫或構件的表面，裂紋取向一般沿著焊接接頭的裂紋，多數(shù)存在于焊縫焊道間、焊趾處或表面缺陷等應力集中部位。對于使用年限較長的塔式起重機，主要受力構件及其連接焊縫*受到交變重復載荷的作用，疲勞裂紋大量增加而且不斷擴展，結構疲勞也在不斷加劇，當損傷積累到一定程度后，遇到偶發(fā)事件或超載，在惡劣工況下甚至是正常載荷作用下，都可能導致細小裂紋迅速擴展形成連續(xù)裂縫，造成結構撕裂破壞而引起突然的斷裂事故。
　　另外，某些塔機生產(chǎn)廠家為了降低制造成本，不嚴格按設計標準選材，致使塔機結構剛度不能滿足國家標準的要求，造成安全性降低，進而埋下事故隱患。
　　（4）塔機*超負荷運行。
　　目前，很多施工企業(yè)為搶工程進度、減少開支、壓縮企業(yè)運營成本，設備被迫處于連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)，基本上是從*個工地結束工作后立即轉(zhuǎn)場進入下一個工地，設備得不到正常的檢查和維修保養(yǎng)，帶故障工作現(xiàn)象普遍，導致工作機構和鋼結構過早產(chǎn)生疲勞破壞，使用壽命迅速縮短，母材斷裂或焊縫開焊而釀成的突發(fā)事故增多。
　　通過檢測和調(diào)整發(fā)現(xiàn)：
　　①使用年限超過15年的塔機，其主要受力部位一般都存在不同程度的疲勞裂紋，而且有的已相當嚴重。
　　②這類疲勞裂紋不僅存在于關鍵連接焊縫上，而且在主要受力桿件或板件的母材上也同時存在，只是缺陷多少與嚴重程度不同。因此可以說，疲勞裂紋具有結構整體分布性。
　　③使用時間越長，缺陷越嚴重。這類缺陷的客觀存在，在大多程度上將對塔機造成失效破壞，目前還未見有專項研究和報道，只能從失事設備個案中得到證實。在我國有很多此類狀況的塔機在“超期”使用（甚至有些租賃公司用低價購置這類曾因各種原因被淘汰的塔機出租），安全隱患堪憂。
　　總之，在塔機的設計、生產(chǎn)和使用中，人們對結構件的靜強度及整機性能均比較重視，而對其疲勞性能和使用壽命則往往難以進行準確的計算，目前我國也無統(tǒng)一的塔機使用報廢年限和結構件壽命評估標準。
　　只有對*在用的塔機重要零部件的應力（使用狀況）、缺陷（存在的缺陷情況）以及材料的力學性能三要素進行全面了解與分析，并做出科學的評價（斷裂安全評價、塑性破壞安全評價或者是疲勞安全評價）之后，才能夠給出設備的合理使用年限或預期使用壽命。
　　2、加強可靠性設計及壽命評估
　　基于國內(nèi)塔機在設計、制造、使用等方面的實際情況，應該對塔機進行可靠性設計和壽命評估方面的研究，一方面提高塔機的可靠性，延長其使用壽命，保證其在壽命期內(nèi)能夠安全使用；另一方面，也不會因設備使用頻率低而到期報廢或發(fā)現(xiàn)有疲勞裂紋等缺陷就馬上對設備進行修理或作報廢處理，造成不必要的經(jīng)濟損失。
　　塔機的鋼結構疲勞斷裂在塔機事故中占有很大的比例。疲勞斷裂應力比靜載荷下材料的抗拉強度低得很多，甚至比屈服強度也低得很多。不管脆性材料或塑性材料，其疲勞斷裂在宏觀上均表現(xiàn)為無明顯塑性變形的脆性突然斷裂，故疲勞斷裂一般表現(xiàn)為低應力脆性斷裂，疲勞破斷是損傷的積累。
　　在恒應力或恒應變下，疲勞將由3個過程組成：（1）裂紋的形成（形核）；（2）裂紋擴展到臨界尺寸；（3）余下斷面的不穩(wěn)定斷裂。疲勞斷裂過程不同于一般靜力斷裂過程，它是損傷積累到一定程度，即裂紋擴展到一定程度后才突然斷裂，在斷裂前要經(jīng)過較長時間的應力循環(huán)。疲勞的研究，一方面是從宏觀即從分析疲勞應力或應變著手，研究疲勞載荷下的力學規(guī)律，建立一系列疲勞抗力指標，如σ-1等；另一方面從微觀機制著手，研究在疲勞載荷下金屬內(nèi)部組織結構的改變和斷口形態(tài)，尋找疲勞裂紋產(chǎn)生的原因和裂紋擴展的機制及影響因素，從而尋找提高疲勞抗力的途徑。
　　可靠性設計是基于強度應力干涉模型理論的一種設計方法，其基本目標是，在一定的可靠度下保證零部件危險斷面上的zui小強度（抗力）不低于zui大的應力，否則，零件將由于未滿足可靠度要求而導致失效。
　　采用有限元分析法，應用ANSYS等軟件對塔機進行應力分析與應力計算，并在此基礎上對塔機進行可靠性優(yōu)化設計，可以增強其安全性能，延長其使用壽命。
　　目前，在塔機起重臂設計中，采用類比試算較多，其設計方案雖能滿足要求，但因參數(shù)不匹配，起重臂受力和應力分布不合理，從而增加了起重臂重量。隨著塔機的廣泛應用和大型化，起重臂的參數(shù)匹配和結構優(yōu)化更加重要。
　　在對塔機進行安全壽命評估中，要計算其鋼結構的疲勞強度，zui大應力法和應力幅法是常用的疲勞強度計算方法。按照GB/T 13752-1992《塔式起重機設計規(guī)范》規(guī)定，在計算結構疲勞強度時，應采用zui大應力法，但也可采用應力幅法。
　　近年來的研究表明，在鋼結構焊接部位，應力幅法比zui大應力法更能反映結構疲勞的實際狀態(tài)，因而在各類起重機鋼結構的疲勞強度計算中采用應力幅法的越來越多。采用應力幅法進行壽命評估時，必須知道所有疲勞危險點的應力幅值以及應力幅譜系數(shù)。目前可采用期限元分析法獲得所需數(shù)值，或更簡便地采用傳統(tǒng)的計算公式，并通過實測驗證后加以應用。
　　應力幅方法實際上是通過試驗來確定不同構件的疲勞性能，是目前金屬結構件疲勞驗算普遍采用的一種方法，簡單實用。但規(guī)范中對節(jié)點和構件的疲勞計算是基于驗算部位滿足規(guī)范規(guī)定的質(zhì)量等級，而在金屬構件的實際制作過程中，受制作工藝、焊工焊接水平的限制，不可避免地存在各種缺陷，缺陷尺寸有時會大于規(guī)范的規(guī)定值，此時結構件的疲勞性能難以按規(guī)范驗算公式進行計算，有效的方法是運用斷裂力學分析方法對其進行分析。（來源：《建筑機械》）