钢结构的脆性断裂事故

关于钢结构的脆性断裂事故5.1脆性断裂概念钢材是一种弹塑性材料，在一定条件下会发生脆性断裂，特征如下：破坏时的应力常小于钢材的屈服强度；破坏之前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发生，无事故先兆；断口平齐光亮。第2页,共36页，2024年2月25日，星期天5.2脆性断裂的原因分析材质缺陷

有害元素:碳,硫,磷,氧,氮,氢等有害元素;应力集中局部高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数，反映应力集中程度；使用环境当温度较低,或在250℃左右时,易发生脆断;钢板厚度钢板越厚,脆性破坏倾向越大。第3页,共36页，2024年2月25日，星期天

1.材质缺陷当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时，将会严重降低其塑性和韧性，脆性则相应增大。通常，碳导致可焊性差；硫、氧导致“热脆”；磷、氮导致“冷脆”；氢导致“氢脆”。另外，钢材的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、裂纹以及分层等也将大大降低钢材抗脆性断裂的能力。第4页,共36页，2024年2月25日，星期天

2．应力集中钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等缺陷不可避免，在荷载作用下，这些部位将产生局部高峰应力．而其余部位应力较低且分布不均匀的现象称为应力集中。我们通常把截面高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数，以表明应力集中的严重程度。当钢材在某一局部出现应力集中，则出现了同号的二维或三维应力场，使材料不易进入塑性状态，从而导致脆性破坏。应力集中越严重，钢材的塑性降低愈多，同时脆性断裂的危险性也愈大。第5页,共36页，2024年2月25日，星期天钢结构或构件的应力集中主要与其构造细节有关：(1)在钢构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变等缺陷在所难免。(2)焊接作为钢结构的主要连接方法，虽然有众多的优点，但不利的是，焊缝缺陷以及残余应力的存在往往成为应力集中源。据资料统计，焊接结构脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓连接结构。主要有以下原因：①焊缝或多或少存在一些缺陷，如裂纹、夹渣气孔、咬肉等这些缺陷将成为断裂源；②焊接后结构内部存在的残余应力又分为残余拉应力和残余压应力，前者与其他因素组合作用可能导致开裂；③焊接结构的连接往往刚性较大，当出现多焊缝汇交时，材料塑性变形很难发展，脆性增大；④焊接使结构形成连续的整体，一旦裂缝开展，就可能一裂到底，不像铆接或螺栓连接，裂缝一遇螺孔，裂缝就会终止。第6页,共36页，2024年2月25日，星期天

3.使用环境

当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时，钢结构脆性破坏的可能性增大。众所周知，温度对钢材的性能有显著影响。在0℃以上，当温度升高时，钢材的强度及弹性模量均有变化，一般是强度降低，塑性增大。温度在200℃以内时，钢材的性能没有多大变化。但在250℃左右时钢材的抗拉强度反弹，而塑性和冲击韧性下降，出现所谓的“蓝脆现象”，此时进行热加工钢材易发生裂纹。当温度达600℃，我们认为钢结构几乎完全丧失承载力。当温度在0℃以下，随温度降低，钢材强度略有提高，而塑性和韧性降低，脆性增大。尤其是当温度下降到某一温度区间时．钢材的冲击韧性值急剧下降，出现低温脆断。通常把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆”现象，产生的裂纹称为“冷裂纹”。因此，在低温下工作的钢结构，特别是受动力荷载作用的钢结构，钢材应具有负温冲击韧性的合格保证，以提高抗低温脆断的能力。第7页,共36页，2024年2月25日，星期天

4.钢板厚度随着钢结构向大型化发展，尤其是高层钢结构的兴起，构件钢板的厚度大有增加的趋势。钢板厚度对脆性断裂有较大影响，通常钢板越厚，脆性破坏倾向愈大。“层状撕裂”问题应引起高度重视。

第8页,共36页，2024年2月25日，星期天综上所述，材质缺陷、应力集中、使用环境以及钢板厚度是影响脆性断裂的主要因素。其中应力集中的影响尤为重要。在此值得一提的是，应力集中一般不影响钢结构的静力极限承载力，在设计时通常不考虑其影响。但在动载作用下，严重的应力集中加上材质缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。第9页,共36页，2024年2月25日，星期天5.3脆性断裂的机理分析

断裂力学认为，解答脆性断裂问题必须从结构内部存在微小裂纹的情况出发进行分析。断裂是在侵蚀性环境作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的。

结论，微小裂纹是断裂的发源地；裂纹尺寸、裂纹应力场作用状况和水平以及钢材的断裂韧性是脆断的主要因素。第10页,共36页，2024年2月25日，星期天5.3脆性断裂的防止措施

钢结构设计是以钢材屈服强度作为静力强度的设计依据，它避免不了结构的脆性断裂。随着现代钢结构的发展以及高强钢材的大量应用，防止其脆性断裂已显得十分重要。主要从以下几方面入手：合理选择钢材合理设计合理制作和安装合理使用及维修措施第11页,共36页，2024年2月25日，星期天合理选择钢材

钢材的选用原则是既保证结构安全可靠，同时又要经济合理。应考虑到结构的重要性、荷载特征、连接方法以及工作环境，尤其在低温下承受动载的重要的焊接结构，应选择韧性高的材料和焊条。另外，改进冶炼方法，提高钢材断裂韧性，也是减少脆断的有效途径。我国《碳素结构钢》已参照国际标准将Q235钢分为A、B、C、D四级，其中，A级：不要求冲击试验；B级：要求+20℃冲击试验；C级：要求0℃冲击试验；D级：要求-20℃冲击试验。对于焊接结构至少应选用Q235B。第12页,共36页，2024年2月25日，星期天2.合理设计合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。比如，把结构设计为超静定结构并采用多路径传力可减少脆性断裂的危险；接头或节点的承载力设计应比其相连的杆件强20％～50％；构件断面在满足强度和稳定的前提下应尽量宽而薄。切记：增加构件厚度将增加脆断的危机，尤其是设计焊接结构应避免重叠交叉和焊缝集中。第13页,共36页，2024年2月25日，星期天3.合理制作和安装就钢结构制作而言，冷热加工易使钢材硬化变脆，焊接尤其易产生裂纹、类裂纹缺陷以及焊接残余应力。就安装而言，不合理的工艺容易造成装配残余应力及其他缺陷。因此制定合理的制作安装工艺并以减少缺陷及残余应力为目标是十分重要的。第14页,共36页，2024年2月25日，星期天4.合理使用及维修措施钢结构在使用时应力求满足设计规定的用途、荷载及环境，不得随意变更。此外，还应建立必要的维修措施，监视缺陷或损坏情况，以防患于未然。第15页,共36页，2024年2月25日，星期天5.5典型事故实例分析钢结构脆性断裂事故在铆接时期已有所发生，直到焊接时期事故大大增加。其事故发生已遍及桥梁、船舶、油罐、液罐、压力容器、钻井平台以及工业厂房等领域，下面列举了几个典型事例。第16页,共36页，2024年2月25日，星期天例1美国纽约铆接钢水塔脆性断裂1886年10月，美国纽约州长岛的格拉凡森一个大的铆接立柱式钢水塔，在一次静承压力验收实验中，水塔下边25.4mm的厚板突然沿6.1m长的竖向裂缝裂开，裂开部位钢板脆性很大。这是世界上第一次有记录的钢结构脆性断裂破坏事故。第17页,共36页，2024年2月25日，星期天例2屋盖因低温冷脆而倒塌1.工程及事故概况前苏联某有色金属厂平炉车间的钢结构除吊车梁为铆接外，均为焊接结构。该车间浇筑跨22m，炉子跨27.5m，配料跨18m。

第18页,共36页，2024年2月25日，星期天事故发生时首先塌落的是B列第86～90行之间的24m托架，该托架在90行柱子的一端坠落在工作平台上，在第86行柱的另一端仍然是在柱子的支托架上。由于B列托架既支撑炉子跨和原料跨上的屋盖结构，又支撑B列上部的墙体，随着托架的破坏，浇注跨、炉子跨、配料跨在第86—90行的屋架、钢筋混凝土屋面板以及墙板全部倒塌。第19页,共36页，2024年2月25日，星期天平炉车间结构倒塌时，室外气温为-26℃，风速为7m/s，倒塌地点屋面积雪厚度0～8cm，原料跨屋面积雪层厚度在35cm以内，平炉厂房屋面实际上没有积灰(出事前数天已清扫了屋面积灰)。8号平炉区的桥式吊车在出事时位于炉子跨，在浇注吊车上吊着空罐。第20页,共36页，2024年2月25日，星期天2.事故原因分析事故原因调查最初的结论是：由于实际施工中，90行柱没有放置技术设计图中规定的支托板，导致平炉车间主厂房B列第84～90行托架下弦支座节点螺栓剪切破坏，造成屋盖结构部分倒塌。经过进一步调查分析，发现许多足以证明屋盖倒塌是由于金属冷脆破坏引起的证据，主要有以下几点：第21页,共36页，2024年2月25日，星期天(1)托架的螺栓已锚固很长时间(超过5年)，在此期间，托架上的荷载显然可能有多次超过事发时的荷载。正如前所述，在出事前数日刚清扫完车间屋面的灰尘，发生事故时车间屋面的雪荷载相当小，且小于设计荷载。第22页,共36页，2024年2月25日，星期天(2)进行了检验模拟屋架锚固连接的承载能力试验，采用6个直径为20mm的螺帷．螺栓连接在53tf时破坏，相当于10个螺栓的破坏荷载为88tf左右，超过出事时实际菏载的12％第23页,共36页，2024年2月25日，星期天(3)在螺栓剪断和随后屋架倒塌的情况下，在三个螺栓剪断之前，上弦杆(在靠近柱子的节间)应该弯曲和破坏。上弦杆用这三个螺栓锚固在柱子上，此处弯矩最大。但上弦杆破坏时，其弯矩较最大值小30％，这种破坏起源于脆性，杆件没有任何变形。第24页,共36页，2024年2月25日，星期天(4)事故发生时气温很低，为-26℃，并且持续时间长。这是自平炉车间施工以来任何一个冬季所未曾出现过的低温。(5)下弦节点的工作应力相当高，平均为780kgf/cm2；节点板边缘应力为1280kgf/cm2。(6)断裂杆件和下弦节点连接件在负温下金属的冲击韧性低，低到0.64kgf/cm2。第25页,共36页，2024年2月25日，星期天

同时发现证实下弦提前断裂的事实：(1)断裂的脆性特征，垫板裂面上有清楚的人字形图案，裂缝分布在下表面及最大的边缘应力区。(2)在剪断螺栓时螺栓孔边缘没有受挤压的痕迹，在托架两端钻有同样形状的孔，在同样的连接试件上拉断后孔边缘有明显的受挤压痕迹。第26页,共36页，2024年2月25日，星期天

(3)两端支座垫板向下弯曲，在86行一端弯起16～18mm，在90行一端一个方向弯起62mm，弯曲角度事实上是反映了托架坠落在工作场地支座板阻挠其移动的程度。在螺栓剪断(下弦无断裂)后，屋架下坠时在90行处屋架端即支座垫板应该是平的。第27页,共36页，2024年2月25日，星期天

(4)90行柱节点金属被端部支座垫板下部边缘擦伤。擦伤表明了端部支座垫板的移动对柱子的腹板产生了紧紧挤压的作用，这只可能发生在下弦折断后，托架像三铰拱一样产生横向推力作用的情况下。横推力为170t，如整个屋架坠落时支座垫板对柱子腹板的挤压是不可能发生的。第28页,共36页，2024年2月25日，星期天在下弦断裂后，托架将不可避免地下沉．必然产生托架支座节点的转动，导致螺栓既受拉又受剪的复杂工作状况，在这种复杂应力下钢材抗力立即下降。由此可以得出结论，托架下弦不发生脆性破坏就不可能发生这次B列托架的倒塌；但在90行柱没有支托板的情况下托架倒塌的威胁依然存在。在有支托板的情况下，B列托架下弦的断裂可能不至于导致车间屋盖的破坏，托架可像三铰拱一样工作而不坠落。第29页,共36页，2024年2月25日，星期天例3比利时阿尔贝特运河上多座钢桥脆性断裂

第二次世界大战前夕，在比利时的阿尔贝特(Alben)运河上建造了约50座全焊接拱形空腹式桁架钢桥。材料为比利时9t42转炉钢。1938年至1956年共有14座大桥断裂，其中有6座桥梁属负温下冷脆断裂，大部分在下弦与桥墩支座的连接处断裂且应力处于极限状态。归结大桥断裂的原因主要有四点：应力集中、残余应力、低温和冲击韧性值太小。第30页,共36页，2024年2月25日，星期天例4辽阳太子河桥脆性断裂我国辽阳太子河桥，跨度33m，1973年初大桥桁架的第一根斜拉杆断裂，桥架的第二节间下挠选50mm。但奇怪的是，在此拉杆断裂后竟然还前后通过了10次列车而未发生事故。其后立即抢修加固，并于1974年换了新桥。第31页,共36页，2024年2月25日，星期天例5福莱大油柜试水时脆性断裂英国福莱市有一个全焊接大油柜，直径42.5m，高16.4m，侧壁内侧平齐。1952年试水时完全破裂。事故经过如下：建成后在其底部第一、二两圈对接焊缝上取样检验试验合格，然后将此缺口妥善焊补。当柜内加满水时，该缺口补焊处出现垂直裂缝，向上延伸380mm，向下延伸230mm，于是立刻放水，并在裂缝上下两端处各钻一小孔，24h后，对此裂缝部位全部割除并重新补焊，经12d后再加水试验，当水头开到14.5m时该钢柜即刻爆炸，此时气温4.5℃，裂缝仍在补焊处。最后，该侧壁整个倒下，摊平在地上。第32页,共36页，2024年2月25日，星期天例6中国内蒙古废蜜储罐爆裂1989年1月，内蒙古某糖厂竣工后使用不久的废蜜储罐在气温-11.9℃时发生爆裂事故。该罐直径20m，高15.76m，罐身共上下10层，由6～18mm钢板焊成，容量5600t，当时实贮4300t，应力尚低。破坏时整个罐体炸裂为五大部分，其中上部7层和盖帽甩出后将相距25.3m处糖库的西墙及西南角墙(连续约长27m范围)砸倒，废蜜罐冲击力将相距4m处的6.5m×6.5m两层废蜜泵房夷为平地，楼板等被推出原址约21.4m。事后调查该起事故也是由于一些焊缝严重未焊透和质量差引起裂纹扩展，导致突发低温脆断。第33页,共36页，2024年2月25日，星期天例7