钢结构的脆性断裂事故参考文档

• 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
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。
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。
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。
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。
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．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。

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。
第5章 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。
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;
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。
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：
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用
• 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。