关于钢结构脆性破坏的认识与分析

关于钢结构脆性破坏的认识与分析

摘要：随着我国房地产建筑业的发展，传统的钢筋混凝土结构不再占据垄断

地位，各种新型建筑结构体系蓬勃发展，其中以钢结构尤为引人关注。钢结构是

将各式型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件通过焊缝、螺栓或铆钉连

接组合而成的结构形式。一方面，因其具有强度高，塑性、韧性好、质量轻、材

质均匀、施工期短、抗震性和密闭性好、建筑表现力丰富等优点，在厂房、场馆、超高层以及大跨度结构中应用广泛。钢结构学科发展也因此得到有力推动，成为

结构工程中最具有活力的研究方向。另一方面，钢结构自身无法避免的缺点和局

限性也不容忽视，如耐腐蚀性差、易锈蚀、不耐火、造价高等，尤其是钢结构具

有低温冷脆倾向，在低温腐蚀环境、内部裂纹、外部缺陷等其他条件下，极可能

发生毫无征兆的脆性破坏，引发重大安全事故，造成严重后果。

关键词：钢结构；脆性破坏

1 钢结构脆性破坏的特征和类型

钢结构有塑性和脆性两种完全不同的破坏形式。其中，脆性破坏（断裂）是

结构或构件在破坏前几乎不发生塑性变形，宏观表现为断裂时伸长量极其微小，

破坏应力低于极限承载力的一种破坏形式。钢结构发生脆性破坏时，钢材晶格之

间的剪切滑移受到限制，使塑性变形无法发生。钢材晶格被拉断后，其断裂面粗糙，呈金属原色，断口平直有光泽，有少量剪切断裂形成的唇口，微观下能看到

明显的人字纹或放射线纹。一般情况下，处于脆性状态中的材料，其裂纹起纹时，只需从拉应力场中释放出的弹性能驱动就能迅速扩展，而不需要外力再做功。可见，结构内部存在不同类型和不同形式的裂纹，在荷载和恶劣环境的外因作用下，裂纹扩展到临界尺寸，且裂纹处存在尖锐的应力集中，是为脆性破坏的根本原因。因此，脆断应力可能低于钢材的屈服点，且断裂从应力集中处开始。此外，发生

脆性破坏的钢材构件，一般都厚度过大或含有大量非金属杂质，存在孔洞、缺口

和截面突变等缺陷，设计、施工和冶金技术可能存在隐患，且大部分断裂事故都

发生在低温恶劣环境下的焊接结构中。脆性破坏发生概率较大，且往往没有明显

征兆，事先难以察觉补救，因此非常危险，危害严重，要极力避免。

根据其破坏因素，钢结构的脆性破坏通常可分为以下几类：（1）过载断裂。即由于结构所承受荷载过大，致使危险截面处因强度不足而导致的断裂，一般常

见于钢丝绳、钢绞线和高强钢丝等脆性材料构件处；（2）非过载断裂。塑性好

的钢材构件若内部存在裂纹，在缺陷、低温等内外因素共同影响下突然呈现的脆

性断裂；（3）应力腐蚀断裂。钢结构在腐蚀性环境中受到静力或准静力荷载作

用时，由于腐蚀作用和非过载断裂的综合作用而导致的断裂破坏，其计算应力远

低于屈服极限的应力状态；（4）疲劳断裂。钢构件在经历长时间的交变荷载循

环作用后，内部裂纹达到临界状态而突然断裂的现象；（5）氢脆断裂。钢材冶

炼过程中溶解了一定量的氢，若钢液冷却时间不够，内部大部分的氢未能溢出，

在使用过程中的静荷载作用下出现塑性显著下降，脆性急剧增加的现象。

2 钢结构发生脆性破坏的因素

2.1 材料的因素

2.1.1 裂纹

钢材内部存在的各类微小裂纹是造成脆性断裂的主要原因。尖锐裂纹处往往

伴有高度应力集中，随着应力的增加，裂纹在应力场弹性势能的作用下稳定扩展

到临界状态，继而发生失稳断裂。

2.1.2 应力

除了存在内部裂纹，构件在加工、安装和使用过程中还可能产生缺口、孔洞、尖锐凹槽和截面突变等外部缺陷。这些缺陷部位在构件处于受力状态时通常会出

现严重的应力集中。值得注意的是，钢构件脆性断裂应力应是构件的实际应力，

要同时考虑残余应力等因素。应力集中使钢材局部内力增高，在应力高峰处，还

会出现双向或三向同号应力状态，降低钢材的塑性能力，容易造成脆性断裂。

2.2 冶炼制作的因素

钢材在制作和冶炼过程中，由于技术或设备的局限性，难免会混入包括氢、硫、磷在内的非金属杂质，在钢液冷却过程中部分杂质没有去除干净，仍残留在材料内。这些杂质中的有害元素会直接影响钢材的品质，从而增加脆性破坏的风险。

3 预防钢结构发生脆性破坏的措施

3.1 计算设计方面

3.1.1 防脆断设计

建立在断裂分析基础上的防脆断设计能有效防止焊接钢结构发生脆性断裂。如果设计者精通断裂力学知识，在设计过程中，对材料的断裂韧性、最低工作温度、最大缺陷尺寸以及环境腐蚀应力严格把控，同时重视内部裂纹的危害，则可为钢结构选购材料、制定施工方案、质量验收、安全运行和检修规程提供更科学合理的依据。

3.1.2 破损安全设计

破损安全设计要求以“合乎使用”为原则，即要事先预判到钢构件在使用过程中可能出现的缺陷和裂纹，允许结构带有一定程度的损伤工作，但对这些初始裂纹和损伤必须进行严格控制，不能任其在结构检修期或使用寿命内发展到临界尺寸。

3.2 制作安装方面

3.2.1 严格选择材料

对于焊接式钢结构，特别是在低温恶劣环境中工作，或承受复杂动力荷载的钢结构构件，应优先选用镇静钢。这是因为镇静钢夹成分纯净，气泡杂质较少，组织细密均匀，能有效避免钢材发生脆性断裂。要注意控制钢板的最大厚度，尽量使用厚度较小的材料。钢材越薄，说明轧压的次数越多，冶炼缺陷越少，发生脆性破坏的可能就越小。我国用于制作梁柱桁架的低碳钢，在工作环境大于0℃

的情况下，一般选用厚度控制在50mm左右的不预热钢板。同时，要按照相关标

准及技术要求对钢材进行严格的出厂和入场复检，进一步保证产品质量。

3.2.2 注重焊接效果

钢构件的焊接质量会直接影响结构的整体质量，是保证钢结构安全性、适用

性和耐久性的重要因素，因此焊接质量必须合格。当下大部分的钢结构工程，其

构件多是在施工现场拼接组装的，施焊条件不确定且多变，因此应当选用技术评

定良好的焊工。在施焊过程中，要求操作人员熟练掌握焊接技术并严格遵守施工

规程，尽量减少咬边、气孔、夹渣和表面裂纹，杜绝未焊透及母材未与焊条材料

熔合的现象。

3.2.3 保证安装质量

在钢构件安装过程中，要严格控制装配尺寸，避免强力组装及角变形、错边

量等几何形状的偏差和不连续，降低局部应力集中。由于构件的成形质量直接影

响安装质量，故应尽量选择型状尺寸均匀合理，符合标准要求的构件，不要过于

复杂和多变。

3.3 使用维护方面

钢结构在长期使用过程中，不仅原有的裂纹会进一步扩展，还会不可避免地

产生新的缺陷，增大脆性断裂的概率，因此在使用过程中要规范操作、按时维护、及时检修。使用者不能在主要构件上任意焊接附件或直接用作受力支承，尽量避

免超载，若要临时设置附加连件必须征得原设计人员的同意；要注意定期对钢材

作油漆防护防锈，避免结构在使用中遭受猛烈敲打、撞击和机械损伤；当气温低

于结构的设计工作温度时，要对结构采取抗冻保暖措施；在腐蚀性强的环境中，

要对结构进行一定的防腐处理。

4 结语

随着钢结构学科和现代工业的进步，钢材的质量和数量有了极大的提高，钢

结构的应用范围也越来越广泛。钢结构的脆性破坏作为一类多发的安全事故，损

失巨大，后果严重，必须认真对待，引起重视，对其破坏因素要加深认识。根据