钢结构的脆性断裂事故优秀课件

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。
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。
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。
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
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。
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
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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
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
钢结构的脆性断裂事故优秀课 件
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。
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;
1. 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。
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。
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。
• 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。
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。
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。