WS300 穩(wěn)定土廠拌設(shè)備料倉(cāng)倒塌事故分析

高振坤

（天津利豐工程技術(shù)有限公司，天津 300459）

1 事故發(fā)生經(jīng)過(guò)

某公司W(wǎng)S300 穩(wěn)定土廠拌設(shè)備石灰料倉(cāng)在張家口蔚縣工地出現(xiàn)倒塌事故，致使工人一死一傷，現(xiàn)場(chǎng)情況是設(shè)備安裝就位僅兩三天時(shí)間，設(shè)備尚處于調(diào)試期，且當(dāng)時(shí)天氣氣候惡劣，有7 級(jí)陣風(fēng)和雨。設(shè)備就位后因急于生產(chǎn)，石灰料倉(cāng)和附近水泥倉(cāng)中儲(chǔ)滿了物料，各集料皮帶機(jī)均在運(yùn)行狀態(tài)，石灰倉(cāng)和水泥倉(cāng)均有張緊鋼絲繩拉緊。整體料倉(cāng)被安放在1.2 m 高的水泥墩平臺(tái)上。

因石灰倉(cāng)底部螺旋輸送機(jī)出料不暢，料倉(cāng)底部有工人用鐵錘敲擊石灰倉(cāng)錐形卸料斗部位，同時(shí)內(nèi)部石灰因雨天潮氣結(jié)塊起拱，料倉(cāng)頂部也站有工人用鋼釬進(jìn)行破拱作業(yè)。石灰倉(cāng)倒塌事故發(fā)生時(shí)，局部陣風(fēng)風(fēng)力可達(dá)7 級(jí)，料倉(cāng)底部直徑200 mm，厚度10 mm 的鋼柱在距離平臺(tái)2 m 左右處發(fā)生塑性折彎，15 t料倉(cāng)整體倒塌，并砸在平地上變形，石灰倉(cāng)錨固的張緊鋼絲繩被料倉(cāng)傾覆力連根拔起。石灰倉(cāng)結(jié)構(gòu)尺寸和受力分析如圖1 所示。

圖1 石灰倉(cāng)結(jié)構(gòu)尺寸和受力分析

石灰倉(cāng)支撐立柱高4000 mm，直徑200 mm，壁厚10 mm；因材料誤差壁厚可小0.15～0.30 mm。石灰倉(cāng)圓柱體部分高8000 mm，整體迎風(fēng)高度約有9500 mm。因料倉(cāng)立柱折彎變形導(dǎo)致整體料倉(cāng)失穩(wěn)倒塌，故應(yīng)從整體料倉(cāng)立柱的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性方面入手分析料倉(cāng)的受力情況、外界風(fēng)載荷、振動(dòng)載荷情況以及物料載荷壓力情況。

2 風(fēng)載受力分析

2.1 料倉(cāng)風(fēng)載荷

7 級(jí)風(fēng)：風(fēng)速v=13.9～17.1 m/s，風(fēng)壓q=0.125×v2=24.15～36.55 kg/m2。

2.2 水平風(fēng)力

式中 li——第i 段計(jì)算高度，m

fi——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取fi=1.0

D0i——料倉(cāng)各計(jì)算段外徑，mm

K1——體型系數(shù)，取K1=0.7

K21，K22——料倉(cāng)各計(jì)算段的風(fēng)振系數(shù)，K2i=1+ζiνiφzi/fi（其中，ζ 為風(fēng)振脈動(dòng)增大系數(shù)，νi為風(fēng)振脈動(dòng)影響系數(shù)，φzi為振型系數(shù)，當(dāng)H≤20 m 時(shí)，取K2i=1.7）

經(jīng)過(guò)計(jì)算，求得P=0.7×1.7×1.0×8×2.4×（24.15～36.55）+0.7×1.7×1.0×1.5×2.4×（24.15～36.55）=655.1～991.7 kg。

2.3 風(fēng)彎矩

2.4 立柱所受風(fēng)載荷最大壓應(yīng)力

其中，1.41×2.4 為矩形立柱對(duì)角長(zhǎng)度；S 為立柱橫截面面積。

立柱所用材料為Q235-A，最大抗壓強(qiáng)度為235 MPa，安全抗壓應(yīng)力可達(dá)140 MPa、遠(yuǎn)大于2.3 MPa。可見(jiàn)，單純的風(fēng)載荷不會(huì)導(dǎo)致料倉(cāng)失穩(wěn)倒塌。

3 料倉(cāng)靜應(yīng)力分析

石灰總重G=15 000 kg=1.47×105N

石灰料倉(cāng)自重Gz=1200 kg=1.2 ×104N

立柱受力F=（G+Gz）/4=4.88×104N

每根立柱上的壓應(yīng)力σ1=F/S=4.88×104/0.59×10-2=8.27 MPa。

考慮到設(shè)備剛就位幾天，整體4 根立柱受力難免不均，設(shè)備整體穩(wěn)定性差，估算立柱上受的力為平均重力的1.5 倍，則有立柱上的靜壓應(yīng)力為12.41 MPa。

靜壓應(yīng)力和風(fēng)載荷應(yīng)力共同作用下，立柱最大應(yīng)力可達(dá)14.71 MPa，這也不會(huì)導(dǎo)致料倉(cāng)失穩(wěn)倒塌。

4 料倉(cāng)動(dòng)載荷分析

由于工地現(xiàn)場(chǎng)料倉(cāng)內(nèi)石灰不能很好地出料，經(jīng)分析得知石灰物料在料倉(cāng)內(nèi)的流動(dòng)性不好，造成石灰在料倉(cāng)內(nèi)堵塞從而結(jié)拱。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的因素很多，其主要因素有3 個(gè)：①石灰物料儲(chǔ)存時(shí)間的過(guò)長(zhǎng)，水分增加導(dǎo)致物料結(jié)塊；②物料與倉(cāng)壁的黏著作用；③料倉(cāng)的結(jié)構(gòu)造型，導(dǎo)致物料無(wú)法順利流通，局部會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)大而結(jié)拱。

（1）料倉(cāng)內(nèi)石灰儲(chǔ)存時(shí)間雖然不長(zhǎng)，但因?yàn)橛晏煊兴畾猓蟼}(cāng)的密封性不好，加之干粉石灰容易吸水，從而導(dǎo)致石灰物料在倉(cāng)內(nèi)15 t 總重的壓力下有一部分結(jié)塊。石灰拱在料倉(cāng)內(nèi)部形成，拱上部的物料堆積泄不出去，操作工人為了讓石灰暢快地輸送到集料倉(cāng)內(nèi)，采用鐵錘敲擊料倉(cāng)底部，力度很大，整個(gè)料倉(cāng)都會(huì)瞬間振動(dòng)，就是為了破壞石灰拱。如果石灰拱不大，在上部石灰的重壓下和鐵錘的振擊力作用下，石灰會(huì)很快泄到螺旋輸送機(jī)上。如果石灰拱的厚度過(guò)大，這時(shí)就得在頂部用鐵釬來(lái)破壞石灰拱。

（2）料倉(cāng)內(nèi)石灰穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)石灰與料倉(cāng)內(nèi)壁的摩擦因數(shù)大導(dǎo)致石灰物料與倉(cāng)壁的靜摩擦角大，在底部錐形倉(cāng)部位石灰流動(dòng)容易被阻滯，這是原因之一；另外料倉(cāng)內(nèi)儲(chǔ)存石灰物料的高度為8 m，干粉石灰物料的顆粒很細(xì)，物料透氣性變差，石灰物料在倉(cāng)內(nèi)形成負(fù)壓，在料倉(cāng)出口處形成結(jié)拱，這是原因之二。

（3）料斗出口的形狀也是影響物料流動(dòng)性的一個(gè)因素，圓形出口比長(zhǎng)方形出口更容易結(jié)拱，由于料倉(cāng)底部為螺旋輸送機(jī)接口是法蘭式圓盤(pán)，所以對(duì)接的出口是圓形的（圖2）。

圖2 結(jié)拱的形狀

綜上可知，無(wú)論是哪種結(jié)拱形式，都需要借助外力把已結(jié)的拱從力學(xué)角度進(jìn)行破碎。石灰倉(cāng)本身帶有壓縮空氣破拱裝置，但該裝置未能有效發(fā)揮作用。工人進(jìn)行錘擊的目的，主要是使倉(cāng)壁振動(dòng)而使物料運(yùn)動(dòng)，錘擊力不足以引起料倉(cāng)和支柱的過(guò)大振動(dòng)，但當(dāng)石灰拱被破壞掉時(shí)，拱層上部的石灰會(huì)很快塌落，此時(shí)如果拱層距離底部料倉(cāng)出口的空間過(guò)大，拱層上部或側(cè)部落下的石灰會(huì)形成很大的沖擊，導(dǎo)致整個(gè)料倉(cāng)都會(huì)劇烈振動(dòng)乃至搖晃。盡管料倉(cāng)頂部有張緊鋼絲繩也不能使料倉(cāng)保持穩(wěn)定。

為定性驗(yàn)證上面分析，下面假設(shè)石灰拱上部有7.5 t 荷重，破拱后突然從5 m 高度下落，沖擊時(shí)間為0.1 s，沖擊壓力全部作用在一根立柱上。計(jì)算的沖擊力如下：

因此，單根立柱上的沖擊壓力σ沖=F/S=81.61×104/0.59×10-2=138 MPa。

此數(shù)值接近于立柱的安全許用應(yīng)力140 MPa，再加之前述的風(fēng)載荷應(yīng)力和靜壓應(yīng)力，則超過(guò)了10 mm 厚的200 mm 直徑的立柱截面許用應(yīng)力。

由于料倉(cāng)底部4 根立柱是獨(dú)立的，中間沒(méi)有加強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)，設(shè)備就位時(shí)間不長(zhǎng)，設(shè)備安裝誤差沒(méi)法消除，穩(wěn)定性差，單根立柱的剛性也差，所以在上述這些應(yīng)力的聯(lián)合作用下，尤其是破拱時(shí)的沖擊應(yīng)力作用下，容易發(fā)生彎折，從而導(dǎo)致設(shè)備垮塌。

5 優(yōu)化措施

吸取了以上教訓(xùn)后，在后來(lái)其余廠拌設(shè)備的安裝調(diào)試過(guò)程中，在立柱之間加設(shè)了拉筋加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，增加了設(shè)備整體的剛性和穩(wěn)定性，未再發(fā)生過(guò)垮塌這樣的重大事故。