对钢结构脆性断裂认识

1、浅谈对钢结构脆性断裂的认识摘要结合结构事故，分析钢结构发生脆性断裂的原因，影响结构脆性破坏的因素，提出防止钢结构破坏的措施和方法。关键词钢结构 脆性破坏 影响因素 预防措施。近年来，随着我国经济的发展，建筑钢结构的使用越来越广泛，特别是轻型钢结构的发展更是如火如荼，钢结构因特有的优越性，越来越受到工程师和用户的青睐，但在推广应用的同时，我们必须对钢结构的脆性破坏及其影响因素有足够的认识，并制定相应的防范措施。本文就钢结构产生脆性破坏的要因及其防止措施作一介绍。一、钢结构事故1951年加拿大魅北克市的杜佩礼西斯桥梁跨断裂于冰冻的河床中，当时气温为-35。该桥建立于1947年，为全焊接结构，由6跨

2、54.88m和2跨45.73m组成，在使用27个月后，发现桥的东端有裂纹，曾用新钢板焊补。该桥所用钢材的含碳量为0.23%0.4%，含硫量为0.04%0.116%，冲击韧性很低，且夹杂物很多。1967年12月，美国西弗吉利亚一座建造于1928年大桥突然断裂塌落，检查发现其关键部位一腹杆孔眼受力劣化并有应力腐蚀造成的疲劳断裂，钢材的韧性很低，按照断裂力学推算，可能在使用后几十年后破坏。1995年日本阪神大震灾，致使很多建筑钢结构产生脆性破坏。日本调查了8栋建筑钢结构的柱、梁接合部，其中，四栋为工厂焊接接头，脆性破坏有2396处；4栋工地焊接接头有10112处。最新研究表明，在地震力作用下，梁，尤

3、其是梁端节点处由于超载经历了很大的塑性变形，由于钢材本身的缺陷，存在裂缝，这样加快了断裂的成长，造成巨大的破坏。二、钢结构脆性破坏的特征钢结构的脆性破坏形式主要有三种：失稳破坏，脆断破坏，疲劳破坏。其总体特征是对缺陷非常敏感，破坏发生很突然，之前没有明显的塑性变形，破坏时构件的应力低于材料的屈服强度，带来的损失也十分惊人。对于钢结构，发生脆性破坏时已经注意到主要下一些共同的特征：1、残余应力的存在要在某些焊接部分引起三轴向拉力；2、所用钢材对含有大量非金属杂质很敏感 ；3、多数破坏发生在低温情况下；4、板厚度过大影响；应力集中的影响；5、焊接和钢材中冶金质量影响；6、脆性断裂在所有情况下都是突

4、然发生的。三、影响钢结构脆性破坏的因素影响钢结构脆性破坏的因素有很多，归纳起来可以分为内在因素和外在因素：（一）内在因素1、低温的影响：随着温度降低，钢材中原子运动速度变慢，钢材中晶格中产生剪切滑移的能力受限制，变形的能力也随之变低，因此它只能在不发生变形的情况下，晶格被拉断，发生突然的脆性破坏。通常把这种破坏称为“低温冷脆现象”，产生的裂纹称为“冷裂纹”。2、钢材质量差、厚度大：钢材的碳、硫、磷、氧、氮等元素含量过高,晶粒较粗,夹杂物等冶金缺陷严重,韧性差等，都会增加钢材的脆性；较厚的钢材辊轧次数较少，材质差、韧性低，可能存在较多的冶金缺陷。通常情况下，钢板越厚，低温脆性倾向越强。（二）外在

5、因素1、结构或构件构造不合理：结构上的孔洞、缺口或构件截面突变等产生局部应力集中严重。应力集中越严重，钢材的塑性降低，就越容易发生脆性破坏。2、焊接影响：焊接是钢结构中的主要连接手段。但焊接时的高温常使热影响区的材料变坏。此外焊接的残余应力和焊接缺陷都是使焊接结构产生脆性破坏的原因，当这些因素与不合理的构造设计、低温同时存在时，结构的发生脆性破坏的可能性更大。3、结构受有较大动力荷载或反复荷载作用：当荷载在结构上作用速度很快时（如吊车在行进时由于轨缝处的高差而造成对吊车梁的冲击作用和地震作用等），材料的应力-应变特性都会发生很大的改变。随着加荷速度增大,屈服点提高而韧性降低。特别是和缺陷、应力

6、集中、低温等因素同时作用时,材料的脆性将显著增加，加速结构的破坏。四、预防钢结构脆性破坏的措施为了确保结构安全，传统的强度计算是将材料的屈服强度作为设计依据，这种设计并不能避免结构脆性断裂，因为传统设计不包含脆性强度概念，没有考虑温度、钢板厚度，三向应力状态等脆断的因素。为避免脆性破坏发生，可从以下几个方面着手：1、正确选用材料选用材料的基本原则是“保证结构安全是前提，考虑经济效益是保障”。（1）选择强度适宜的钢材。随着钢材强度的提高，其工艺性和断裂韧性一般会有所下降。为此，在选用钢材时，不应单纯追求强度指标，而忽视其他性能；（2）优先选用镇静钢。镇静钢锭组织细密、气泡少、化学成分均匀，其夹杂

7、物较少，稳定性好，尤其是钢材在发生低温冷脆时，其成分中含量甚微的氮也与脱氧剂硅或铝化合成为稳定的氮化物，保障了钢材在低温时的性能；（3）优先选用厚度较薄的钢材。钢材愈薄轧压次数越多，冶金缺陷越少，发生脆性破坏的几率愈小；（4）对于在低温环境下工作或承受动力荷载的钢结构，所选钢材的 脆性转变温度必须要低于结构的工作温度。2、精心设计合理设计和选用钢材设计时应注意选择合理的结构方案和杆件截面连接及构造型式，避免截面突变，减小构造应力集中。应根据结构的荷载情况（包括静力或动力性质)、所处环境温度和所用钢材厚度，选用合适的钢种并提出需要的技术要求。3、 严格掌握焊接及加工工艺在施焊前要按要求加工成所需要的坡口并除锈，以防止未焊透和焊缝产生气泡现象，若要在设计图中未曾规定设置，临时附加连件之处设置附加连件，必须得到原设计人员的同意。4、合理的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，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 。五、结语钢结构具有材料强度高，塑性和韧性好，材质均匀，构件制造简单，施工工期短，质量轻的特点，所以钢结构在建筑领域应用极其广泛，但由于设计、施工、使用等方面的原因，使钢结构工程存在着脆性破坏的隐患，脆性破坏一旦发生，损失巨大，所以我们要采取合理有效的措施加以防