钢结构脆性破坏分析
钢结构脆性破坏案例
钢结构脆性破坏案例钢结构脆性破坏在铆接结构时期就已经有所发生，不过为数不多，因而没有引起人们的重视。
那时多数事故出现在储液罐和高压水管。
例如1925年12月美国一座由软钢制成的直径为357m、高12.8m的油罐，壁厚25mm，当气温由15度骤降至-20度时破坏。
当时油罐装满原油，破坏引起了火灾。
在钢结构焊接逐渐取代铆接的时期，脆性破坏事故增多。
从1938年比利时哈赛尔特发生的全焊空腹桁架桥破坏到1960年止，除船舶外，世界各地至少发生过40起大型焊接结构破坏事故。
赛尔特桥跨长74.5m，在交付使用一年后突然裂成三段坠入阿尔培运河。
破坏由下弦断裂开始，6min后桥即垮下。
当时气温较低，而桥梁只承受较轻的荷载。
该桥用软钢制造，上、下弦为两根工字钢组合焊接的箱形截面，最大厚度56mm，节点板为铸件，裂口有经过焊缝，有的只经过钢板。
继这一事故后，在比利时又发生多起桥梁破坏事故。
焊接的压力容器和油罐，也不乏脆性破坏事故的报告。
例如1952年欧洲有三座直径44吗，高13.7,m 的油罐破坏，当时这些油罐还未使用，气温为-4℃，最大板厚22mm，材料也是软钢。
施工时油罐的焊缝曾从罐内加工凿平，还因矫正变形而对油罐猛烈锤击过。
冷加工和凿痕至少是引起脆性破坏的部分原因。
从破坏的油罐切取带凿痕的试样在0℃进行弯曲试验（有凿痕一侧受拉），折断时没有明显变形，而磨去冷加工部分和凿痕的试件，则弯至45°不出现裂纹。
典型的脆性破坏事故还有20世纪40年代初期美国的一批焊接船舶。
1943年一月一艘游轮在船坞中突然断成两截，当时气温为-5℃，船上只有试航的载重，内力约为最大设计内力的一半。
在以后的10年中，又有二百多艘在第二次世界大战期间建造的焊接船舶破坏。
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。
详解结构延性破坏与脆性破坏方式
详解结构延性破坏与脆性破坏方式结构与构件的破坏方式的确定是在结构设计之初就要明确的问题，延性破坏显然是工程师们的首选。
所谓延性破坏是指材料、构件或结构具有在破坏前发生较大变形并保持其承载力的能力，宏观表现上为挠度、倾斜、裂缝等明显破坏先兆的破坏模式，更为重要的是，尽管出现明显的破坏征兆，但延性材料或结构仍然能够保持其承载力。
延性破坏的这种性能对于建筑物是十分重要的，其真正的意义在于以下几方面：首先，破坏先兆与示警作用——历史上发生的重特大建筑事故大多属于脆性破坏，如果建筑物在破坏之前的明显征兆可以提醒人们及时撤离现场或进行补救。
完全不能破坏的材料是不存在的，因此材料在破坏之前的示警作用对于建筑物来讲就十分重要了。
其次，延性材料或结构的延性不仅仅要体现在变形上，还要体现在破坏延迟上，即在承载力不降低或不明显降低的前提下，产生较大的明显的变形，即发生屈服。
这种破坏的延迟效应可以为逃生或者建筑物的修补提供宝贵的时间。
第三，正是由于延性材料与结构所产生的变形能力，因此对于动荷载的作用，可以体现出良好的工作性能，这对于结构的抗震是十分关键的。
在地震的作用下，结构所发生的宏观与微观的变形，都会储存大量的能量，避免发生破坏。
相反，脆性是与延性相对应的破坏性质，脆性材料或构件、结构在破坏前几乎没变形能力，在宏观上则表现为突然性的断裂、失稳或坍塌等。
应注意的问题是，虽然有些脆性材料可能具有较高的强度，采用脆性材料或构件、结构可能存在较大的承载力，但因没有破坏征兆或破坏征兆不明显，采用时宜多加慎重。
在结构设计时实现延性与防止脆性的方法其实并不复杂，一般遵循以下原则：其一，要尽可能采用延性材料为建筑结构材料，钢材是很好的延性材料，以往钢结构多用于高层、大跨度建筑、承担动荷载建筑中，随着科学技术的发展，钢结构住宅也已经开始逐步推广。
其二，对于脆性材料，可以采用延性材料改善其不良的性能，是指具有延性材料的破坏特征。
最为明显的例子是钢筋混凝土、劲性混凝土与钢管混凝土的应用。
3 钢结构的破坏形式
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
正确制造
(1) 严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将 螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。 (2) 为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方 法，以及对剪切边进行刨边。 (3) 为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺 和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法 消除主要构件中的焊接残余应力。 (4) 焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范 的要求进行。
N增大到一定数值(Ncr)
N继续增大(>Ncr)
不稳定平 衡状态
3
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
理想的轴心受压构件(杆件挺直、荷载无偏心、无初始 应力、无初弯曲、无初偏心、截面均匀等）的失稳形式分为:
弯曲失稳 扭转失稳 弯扭失稳
4
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
无缺陷的轴心受压构件 （双轴对称的工型截面） 通常发生弯曲失稳，构 件的变形发生了性质上 的变化，即构件由直线 形式改变为弯曲形式， 且这种变化带有突然性。
σmax σmin
变幅疲劳计算: 吊车荷载作用 下的疲劳计算:
e
（a） σ
t
σmax
f 210
σmin
（b）
6
16t
钢结构的可能破坏形式 图 1-1 疲劳应力谱
3 钢结构的 可能破坏形式
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的 设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂， 目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。 采用荷载标准值计算。 （2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展， 则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。 （3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强 度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。 （4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施 （ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中； （ｂ）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸； （ｃ）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。
钢结构脆性断裂与疲劳破坏浅析
钢结构脆性断裂与疲劳破坏浅析一、脆性断裂钢材或钢结构的脆性断裂是指应力低于钢材抗拉强度或屈服强度情况下发生突然断裂的破坏。
钢结构尤其是焊接结构，由于钢材、加工制造、焊接等质量和构造上的原因，往往存在类似于裂纹性的缺陷。
脆性断裂大多是因这些缺陷发展以致裂纹失稳扩展而发生的，当裂纹缓慢扩展到一定程度后，断裂即以极高速度扩展,脆断前无任何预兆而突然发生破坏。
钢结构脆性断裂破坏事故往往是多种不利因素综合影响的结果，主要是以下几方面：(1)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；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。
(2)结构或构件构造不合理：孔洞、缺口或截面改变急剧或布置不当等使应力集中严重。
(3)制造安装质量差：焊接、安装工艺不合理,焊缝交错，焊接缺陷大，残余应力严重；冷加工引起的应变硬化和随后出现的应变时效使钢材变脆。
(4)结构受有较大动力荷载或反复荷载作用：但荷载在结构上作用速度很快时（如吊车行进时由于轨缝处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-应变特性就要发生很大的改变。
随着加荷速度增大，屈服点将提高而韧性降低。
特别是和缺陷、应力集中、低温等因素同时作用时，材料的脆性将显著增加。
(5)在较低环境温度下工作：当温度从常温开始下降肘,材料的缺口韧性将随之降低,材料逐渐变脆。
这种性质称为低温冷脆。
不同的钢种，向脆性转化的温度并不相同。
同一种材料,也会由于缺口形状的尖锐程度不同，而在不同温度下发生脆性断裂。
所以，这里所说的"低温"并没有困定的界限。
为了确定缺口韧性随温度变化的关系，目前都采用冲击韧性试验。
显而易见,随着温度的降低，Cv能量值迅下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏。
同时可见，钢材由塑性破坏到脆性破坏的转变是在一个温度区间内完成的，此温度区T1－T2称为转变温度区。
在转变温度区内，曲线的转折点〈最陡点〉所对应的温度T0称为转变温度。
第二章 焊接结构的脆性断裂
造成脆性断裂的原因
材料选用不当 起源于焊接结构的不利因素 结构的构造越来越复杂 使用条件越来越恶劣（如低温、海洋环境等） 荷载、钢材强度、板厚等都越来越大 设计计算方法越来越先进精细，安全储备降低
二、金属材料脆性断裂的能量理论
（格里菲斯）Griffith裂纹理论
基点：材料中已存在裂纹 在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理 论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。 大量研究和试验表明，固体材料的实际断裂强度只 有它理论断裂强度的1/10~1/1000.
防止结构发生脆性破坏的两个设计准则
①
开裂控制（防止裂纹产生准则）
设计要求在焊接结构最薄弱的部位，即焊接接头 处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗裂能力。
②
扩展控制（止裂性能准则）
设计要求如果在这些部位产生了脆性小裂纹，其 周围材料应具有将其迅速止住的能力。
（二）断裂评定方法
金属材料的断裂除与材料本质特征有关外，还与 结构所处于的温度、加载速度、应力状态等外加因 素有关，其中温度是个主要因素。 对于一种材料有两个临界温度即开裂温度和 止裂温度。开裂、止裂温度的高低可以用来衡量材 料的抗裂性能和止裂性能。且开裂、止裂的温度越 低，材料的抗开裂性能和止裂性能就越好。
1、冷应变时效：材料经历切割、冷热成形（剪切、弯
曲、矫正）等工序使材料发生应变时效导致材料变脆。
2、热应变时效：在焊接时，近缝区某些加工时留下的刻
槽，即缺口尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附 近，金属受到热循环和热塑变循环的作用，产生焊接应力-应 变集中，导致较大的塑性变形，引起应变时效。 解决措施：焊后经过550～650℃热处理可以消除两类应变时 效对低碳钢和一些合金结构钢的影响，恢复其韧性。
(二)历次重大地震中的钢结构
第2节历次重大地震中的钢结构在本节中重点介绍一下美国北岭地震和日本阪神地震中钢结构的震害特点及其原因分析，以及，对以后钢结构的抗震设计有什么启示。
2.1美国北岭地震和日本阪神地震中的钢结构震害2.1.1日本阪神地震简介日本是一个多地震的国家，每年有感地震约1～2千次，8级以上地震每15年一次，7~8级地震每1～2年一次，6～7级地震每年15次左右。
日本地震遍及全境，发生在日本及其周围地区的地震约占全世界地震的l0％。
1995年1月17日清晨5时46分在日本关西近畿地区兵库县发生了自1923年以来在高度人口密集地区最大一次地震。
造成本次地震的起因为关西明石海峡地壳断层活动所致。
震级M=6.8，震度为6度，约相当于我国烈度表10度。
震源在距神户市南部20km的谈路岛的正下方20km处。
地震持续时间约为20秒左右。
根据地震观测记录结果，最大加速度约为813gal，最大速度约为90kine，卓越周期约为0.5～0.8s。
本次地震主要表现为竖向地震。
地表的道路、绿地、港口码头普遍开裂，裂缝宽度为10cm～50cm。
地基下沉l0cm~100cm，个别地基下沉达2m左右。
液化现象十分严重，喷砂、冒水，人工填海地基与原有地基严重脱离，最大脱开距离达2m左右。
神户地区地下土质大部分为砂质粉土，厚度约为20～30m，再往下则为一般风化岩及中风化岩。
地震中有5400多人死亡，3万多人受伤，30多万人无家可归。
大地震引起火灾、停电、停煤气，切断了高速公路、电气火车、地下电车以及新干线；使码头破坏停运，港口瘫痪，只有航空港正常运行。
地震造成的经挤损失估计在l000亿美元以上，约占日本国GDP(国内年生产总值)的2%。
损失十分惨重。
建筑物的损失(包括造成人员伤亡)占了56％。
本次地震烈度分布情况如下面的震度分布图见图2-1所示。
图2-1 日本阪神地震烈度分布图2.1.2日本阪神地震中钢结构建筑中的几种震害表现两种罕见的破坏现象即，钢柱脆断和多层钢结构房屋中间楼层整层被震塌现象，这是令人一时不解和意想不到的钢结构罕见破坏现象。
关于钢结构脆性破坏问题研究综述
２ ３ ６ ・
工程 科技
Байду номын сангаас
关于钢结构 脆性破坏 问题 研究综述
徐丽丽 １ ， ２ （ １ 、 广西 大学， 广西 南宁 ５ ３ ０ ０ ０ ３ ２ 、 广西 交通职业技 术学院， 广西 南宁 ５ ３ ０ ０ ２ ３ ）
摘 要： 针 对 钢 结 构脆 性 破 坏 问题 进 行 了论述 。 关键 词 ： 钢结构 ； 脆性 ； 破 坏
钢结构是土木 工程 的主要结构种类之一 ， 我国 自新中 国成立以 此外冷加工 、 加载速率对其均有影响 ， 在设计时应加以注意 。另 后， 随着经济建设的发展 ， 特别是实行改革开放政策 以后 ， 钢结构得 外 ， 在使 用上 ， 要 求使 用者不能在 主要 构件上任意焊接 附件或作 为 必须时要 经设计 同意 ； 尽量避免超载 ， 要 注意定期 油漆防 到了前所未有的发展 ， 应用的领域有了较大的扩展。高层和超高层 受力支承， 房屋 、 多层房屋 ， 单层轻 型房屋 、 体育场馆 、 大跨度会展 中心 、 城市桥 护 ， 及 时检修 ， 避 免对结构 的猛烈 敲打 、 撞击 和机械损伤 ； 当气 温低 梁和大跨度公路桥梁等都 已采用钢结构。 钢结构 与其他材料建造的 于结构的设计工作温度时 ， 应对结构进行保暖。 结构相 比， 具有许多优点 ， 比如其强度高 、 材性好 、 工业化程度 高、 工 ３脆 性 断 裂 事故 期短 、 密封 性好 、 抗震性 好等等 ， 但是钢结构 ， 特别是焊接 钢结构受 １ ９ １ ２年 ４月 １ ０ Ｅ ｔ ， 泰坦尼克号从英 国南安普敦 出发 ， 前往 Ｅ ｌ 的 材料性质 ， 加工工艺等方面的因素影响 ， 不 可避 免地存在 各种 缺陷 ， 地美 国纽约 ， 开始 了这艘 “ 梦幻 客轮” 的处 女航 。然 而 ４月 １ ４ 日晚 加之使用条件 的不利作用（ 如超载 、 低温、 动载等 ） 易发生各类 事故 ， １ １ 点４ ０分 ， 泰坦尼克号在北大西洋撞上 冰山（ 大约在 ４ １ 。４ ３ ’ ５ ５ ． ６ ６ 其中脆性破坏 的事故 占相当大的比例ｌ ｌ ｌ 。 “ Ｎ ４ ９ 。５ ６ ’ ４ ５ ． ０ ２ ” Ｗ 附近 ） ， 两小时 四十分钟后 ， ４月 １ ５日凌晨 ２点 钢材的脆性断裂时钢结构 在静 力或加载 次数不多 的动荷载作 ２ ０分沉没 ， 由于只有 ２ ０艘救生艇 ， １ ５ ２ ３ 人 葬身海底 ， 造成 了当时在 用下发生 的脆性破坏 。脆性 破坏在破 坏前 无明显变形 ， 平均应力亦 和平时期最严重的一次航海事故 。 小， 没有任何预兆 ， 破坏断 口平 直和呈有光泽的晶粒状。 脆Ｉ 生 破坏时 这艘偌大的游 轮究竟 为什么会沉于海底呢？ 由于技术上的原因 ， 突然发生 的 ， 事先毫无警 告 ， 危 险性 大 ， 根本来 不及 补救 ， 应尽量避 直至 １ ９ ９ １ 年。 科学考察 队才开始到水下对残骸进行考察 ， 并收集了 免。 在焊接结构逐渐取代铆接结构时期 ， 脆性事故增 多 ， 他们多数出 残骸 的金属碎片供科研 用。 这些碎 片以及沉船在海底的状况使 人们 现在桥梁 、 橱柜 、 船舶 、 吊车梁等钢结构 中。 终 于解 开了 巨轮 “ 泰坦尼克号 ” 罹难之谜 。考察 队员们 发现 了导致 １影响钢 结构脆性断裂的因素 “ 泰坦尼克号” 沉没重要细节 。 引起钢结构脆性 断裂的因素有很多 ， 根据 同济大学教材 《 钢结 造船工程师只考虑到要增加 钢的强度 ，而没有想 到要增加其韧 构基本原理 中指 出其直接 的因素是裂纹尺寸 、 作用应力 的方式 、 性。 把残骸 的金属碎片与如今的造船钢材作一对 比试验 ， 发现在“ 泰 大小 ， 以及 材 料 的 韧 性 。 坦尼克号” 沉没地点的水温 中 ， 如今 的造船钢材在受 到撞 击时可 弯 １ ． １裂纹 成 ｖ形 ， 而残骸上 的钢材则因韧性 不够 而很快断裂 。由此发现 了钢 结构 内部总会存在不 同类型 和不 同程度 的缺 陷， 这些缺陷 的存 材 的冷脆性 ， 即在 一 ４ ０ ℃～ ０ ℃的温度下 ， 钢材 的力学行 为 由韧 性变 在通常可看成是结构内部 的微小裂纹 ，当裂纹扩展 到临界尺 寸 ， 脆 成脆性 ， 从而导致灾难性 的脆性 断裂。而用现代 技术炼的钢只有在 性 断裂 就会 发生 。因此 ， 应尽可能通过控制施 工工艺 、 改善 细部设 ７ ０ ℃一 一 ６ ０ ０ Ｃ的温度下 才会 变脆 。 不过不能责怪 当时的工程师 ， 因 计、 加强质量检 查等方法减小结构 内部 的缺陷 ， 也 就是减小结 构 内 为当时谁也不知道 ， 为了增加钢的强度而往炼钢原料中增加大量硫 部 的微小裂纹。 化物会 大大增加钢 的脆性 ， 以致酿成 了“ 泰坦尼克号 ” 沉没 的悲剧 。 １ ． ２应 力 这一悲惨 的事故证明了低温下钢材 的冲击 韧性变差 ， 以及钢材 如果构 件中有较严重 的应力集 中和较 大的残余拉应 力则容易 中含硫含碳 高会 导致其脆性增加 。 引起构件 的脆性断裂。 构件中的应力集 中和残余拉应 力则 与构件 的 结 束 语 构造细节和焊缝位置 、 施工工艺等有关 。在设计时应避免焊缝过于 随着经济 的发展和技术 的进步 ，钢结构 的应用会越来越广 泛 ， 集中、 构件截面的突然变化 以及在施焊时会产生严重拘束应力 的构 但 同时 由于设计 、 施工 、 使用 以及钢材质量等方 面的原 因 ， 使得钢结 造。 构存在着脆性破坏 的隐患 ， 而脆性破坏一旦发生 ， 由于其危 险性 大 、 １ ． ３材 料 无补救措施 ， 损失会很惨重 ， 本文通过对脆性破坏 的影 响因素 、 防止 与脆性 断裂有关的因素还有材料 的韧性 。 而影响材料韧性 的因 措施 以及工程实例的简要 分析 ， 旨在引起工程界对钢结构脆性破坏 素主要 有 ： 化学成分 、 冶炼方法 、 浇铸方式 、 轧钢工艺 、 焊接 工艺 以及 的重视 ， 从 而能更好 的避免更大事故的发生 。 钢板厚 度 、 应力状态 、 工作温度 、 加荷速率等 。如厚钢板 的韧性低 于 参考 文献 薄钢板 ， 一个原 因是轧制过 程造 成 内部组织 的差别 ， 另一个原 因是 ［ １ 】 王元清． 钢结构脆性破坏事故分析［ Ｊ １ ． 工业建筑 ， １ ９ ９ ８ ， ２ ８ （ ５ ） ． 应力集 中下 ， 厚板接近 于平 面应变受力状态 ， 较薄板 的平 面应力状 ［ ２ ］ 苏益 声， 许安邦 ， 陈宗平． 钢结构脆性破坏 浅析『 Ｊ １ ． 广西 大学学报 ， 态更为不利 。另外工作温度。随着温度的下降 ， 冲击 韧性 也不 断下 ２ ０ ０ ３ 。 ２ ８ （ ３ ） ． 降， 当温度下降到一定程度后 ， 材料 出现脆性破坏 ， 冲击韧性 降得很 【 ３ ］ 沈祖 炎， 陈 扬骥 ， 陈 以一 ． 钢 结 构 基本 原 理 ［ Ｍ】 ． 北京 ： 中 国 建 筑 工 业 低， 且 基本为一常量 。 因此当工作温度很低时 ， 所采用 的材料的 冲击 出 版 社 ． ２ ０ ０ ５ ． 韧性不应低于脆性破坏范 围。 Ｉ ４ 】 马德 志， 高良， 戴为志． 国家体育场“ 鸟巢” 钢结构焊接 工程 “ 合拢 ” ２防止 钢 材 脆 性 断 裂 的措 施 技 术『 Ｊ １ ． 全 国铜结构学术年会论 文集， ２ ０ １ ０ ， １ ０ ． ａ ． 加 强施焊工 艺管理 ， 避免施 焊过程 中产生裂 纹 、 夹渣 和气泡
钢结构脆性破坏事故分析
研究背景
钢结构脆性破坏是指钢材在受力过程中突然发生脆性断裂，导致结构失效。这 种现象在低温环境下尤为突出，因为钢材的脆性断裂强度随温度的降低而显著 下降。目前，国内外学者对钢结构脆性破坏的研究主要集中在材料脆化、构件 承载力和稳定性等方面。然而，对于低温环境下钢结构脆性破坏的机理和防治 方法仍需进一步探讨。
（2）结构设计不合理：通过对结构设计进行复核，发现部分节点的连接方式 不合理，导致应力集中。在长期使用过程中，这些节点逐渐产生疲劳损伤，最 终导致脆性破坏。
（3）施工过程中的问题：事故调查发现，部分钢构件的焊接工艺不当，存在 焊接缺陷。这些缺陷在结构使用过程中逐渐扩展，最终导致脆性破坏。
3、脆性破坏的预防措施
根据本次事故的原因和机制，提出以下预防措施：
（1）加强钢材质量控制：选用符合规范要求的优质钢材，确保进场材料符合 设计要求。同时，对进场钢材进行严格检验，防止不合格材料进入施工现场。
（2）优化结构设计：对钢结构进行精细化设计，避免应力集中。考虑结构在 使用过程中的疲劳损伤，采取相应的加强措施。
钢结构脆性破坏事故分析
01 引言
目录
02 事故案例
03 脆性破坏原理
04 预防措施
05
钢结构脆性破坏事故 的调查与分析
06 参考内容
引言
随着建筑行业的快速发展，钢结构在各种工程项目中的应用愈发广泛。然而， 钢结构脆性破坏事故的频发，给建筑物的安全性带来了严重威胁。本次演示通 过分析一起典型的钢结构脆性破坏事故，探讨事故的原因、预防措施以及对未 来的启示。
本起事故涉及的体育馆为钢网架结构，跨度大、空间受力复杂。事故发生时， 部分钢构件在没有明显塑性变形的情况下突然断裂，导致整个网架结构塌陷。 由于事故发生在施工阶段，幸亏现场没有人员伤亡。
谈钢结构工程事故的原因分析和处理对策
谈钢结构工程事故的原因分析和处理对策摘要：本文从钢结构工程的深化设计、加工制作、安装施工、使用4个阶段出现的问题会导致结构的损伤与破坏，从而造成事故。
并对事故的类型、原因进行了解剖，针对做好钢结构工程的深化设计，钢结构构件加工质量的控制,严、准、细控制钢结构安装施工技术作了相应对策.关键词：钢结构事故深化设计加工制作安装施工处理对策ABSTRACT:This article from the steel structure project’s deepened design, the processing manufacture, the installment construction, will use the question which 4 stages will appear to cause the structure the damage and the destruction, will thus create the accident. And to accident’s type, the reason has carried on the dissection, i n view of completesthe steel structure project the deepened design, the steel structure millwork quality control，strict, accurate，controlled the steel structure installment construction technique to make the corresponding countermeasure thin。
KEY WORDS：Dteel structure Accident Deepened design Processing manufacture Installmentconstruction Processing countermeasure1钢结构事故的类型整体事故：结构整体或局部倒塌[1］。
钢结构脆性破坏事故分析(1)
工程事故分析钢结构脆性破坏事故分析王元清(清华大学土木工程系 100084) 钢结构的破坏通常可分为塑性和脆性两种形式。
其中脆性破坏是结构极限状态中最危险的破坏形式之一,这主要由于它的发生往往很突然、没有明显的塑性变形,而且构件破坏时的承载能力很低,带来的损失也十分惊人。
1 钢结构脆性事故的原因分析钢结构,特别是焊接钢结构受材料性质、加工工艺等方面因素影响,不可避免地存在各种缺陷,加之使用条件的不利作用(如超载、低温、动载等),易发生各类事故。
而在钢结构的事故中,脆性破坏占相当大的比例。
文献[5]给出了钢结构事故中各种破坏类型所占的比例(见表1)。
可见,有必要深入开展钢结构的脆性破坏方面的研究。
表1 钢结构各破坏类型在工程事故中所占的百分比破坏类型1951～197759起事故1951～195969起事故1950～1975100起事故整体或局部失稳224441母材破坏 塑性破坏脆性破坏62717814钢材的疲劳破坏1653(考虑焊缝)焊接连接的破坏152624螺栓连接的破坏43其它类型破坏1087早在1971年国际焊接协会(International Insti-tute of W elding)就对60个焊接钢结构脆性破坏实例进行了统计分析[1],并根据所占比例总结出14个最主要的影响因素(参见表2)。
其中每个脆性破坏的实例并不是由单一因素引起的,而是多个因素共同作用的结果,所以表中列举的实例总数不是60个,而是126个。
表2 国际焊接协会对焊接钢结构脆性破坏的实例统计分析结果序号影响因素实例数 百分比1钢材对裂纹的敏感性2620.62结构构造缺陷1814.33构件的焊接残余应力1713.54钢材冷作与变形硬化1411.15疲劳裂纹97.26其它焊缝缺陷97.27结构工艺缺陷97.28结构超载8 6.39构件的热应力6 4.810焊接热影响区的裂纹3 2.411钢材的热处理3 2.412焊缝的裂纹2 1.613钢材的冷加工10.714腐蚀裂纹10.7总 计126100.0 作者在留学期间曾对前苏联223个工程中发生的350个钢结构脆性破坏实例进行了统计分析[2]。
钢结构脆性断裂初探
钢结构脆性断裂初探摘要：本文介绍了钢结构脆性断裂的破坏特征，影响其脆性破坏的因素，防治钢结构脆性断裂的措施及案例分析。
关键词：钢结构；脆性断裂；影响因素；案例分析1 钢结构的破坏形式塑性破坏和脆性破坏是钢结构破坏最为常见的两种形式，而脆性破坏是结构极限状态中最危险的破坏形式之一，因破坏发生十分突然，且没有一个明显的塑性变形，在构件遭到破坏的时候，承载能力非常低。
而在破坏之后，所带来的损失十分严重。
脆性的断裂受到严重破坏，从宏观方面看，主要表现在断裂时候所伸长的量非常微小。
例如，生铁在单向拉伸断裂时为0.5～0.6%，最终破坏是由其构件的脆性断裂导致的，几乎观察不到构件的塑性发展过程，无破坏的预兆，其后果也经常是灾难性的。
工程设计的任何领域，无一例外地都要力求避免结构的脆性破坏，如在钢筋混凝土结构中避免设计超筋梁，其道理就在于此。
2 钢结构脆性断裂破坏的特征结构的脆性破坏是各种结构可能破坏形式中最不利的一种破坏，其破坏时几乎不发生变形，且瞬间发生，破坏时应力低于极限承载力。
脆性断裂的突发性，实现毫无警告，破坏过程的瞬间性，根本来不及补救，大大增加了结构破坏的危险性。
钢材晶格之间的剪切滑移受到限制，使变形无法发生，脆性破坏结果是钢材晶格间被拉断。
发生的机会较多，因此非常危险。
如果一直都处在韧性状材料当中，则裂纹扩展应具备外力的做功，一旦外力停止，则裂纹就会停止扩展。
而对于处在脆性的状态之下的材料当中，裂纹扩展并不需外力进行做功，只有在裂纹出现起裂的时候，才会从拉应力的场内释放出较多的弹性能，从而驱动整个裂纹快速扩展。
针对钢性的结构材料，一旦发生脆性的破坏，主要表现在以下几个方面：①残余应力在一些焊接的部分可能会导致三轴产生加大的拉力；②应用的钢材对于所含的非金属杂质十分敏感；③大部分破坏主要发生于低温的状况之下。
3 钢结构脆性断裂破坏的分类脆性断裂破坏大致可分为如下几类：①过载断裂。
因破坏力过载以及强度严重不足而造成断裂，该种断裂破坏发生速度非常快，情况十分严重。
第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂， 发生疲劳破坏。 疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展 和最后迅速断裂三个阶段。
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Streel Stucture
第 三 章
二、疲劳计算 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。
失稳，又称屈曲。
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第 三 章
第三章 钢结构的破坏形式及计算方法
第一节 钢结构的可能破坏形 式
三、板件局部失稳破坏
某些情况下，组成构件结构的板件的局部丧失稳定 会先于整体失稳出现。局部失稳的发生可能最终促成或 导致结构或构件的整体失稳，造成破坏。
Pf =P (z<0) Ps=P(z≥0)=1- Pf
设计使用年限分类
类别 1 2 3
4
设计使用年限 5 25 50
100
示例 临时性结构 易于替换的结构构件 普通房屋和构筑物
纪念性建筑和特别重要的结构
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第 三 章
三．设计表达式：
R
0
RK
0 R
GSGK
QSQK
RK
R
SSK
《钢结构设计规范(GB50017)》设计方法
R 0S
对于承载能力极限状态 采用应力表达式
n
0 ( GGK Q1 Q1K ci QiQiK ) f i2
正常使用极限状态
n
W WGK WQ1K W ci QiK [W ] i2
➢ 在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会 使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算。
钢结构基本原理 3 钢结构的可能破坏形式
我国新修订的2004年钢结构规范中已考虑了பைடு நூலகம் 扭屈曲的相关设计理论。
❖大跨度波纹拱屋盖 我国东北、内蒙古、新疆曾有大量使用，用于仓 库、临时罩棚等设施。但有些结构在大雪后倒塌。 破坏原因：波纹拱的畸变屈曲没有给予很好的 考虑。
破坏后
❖宁波某轻钢门式刚架施工阶段倒塌。 破坏原因：施工顺序不当、未设置必要的支撑等。
解具有单值性
稳定 问题
与整个构件 的所有截面
均有关系
要考虑构件已变 形状态下的平衡 关系，属于二阶 分析
几何非线性 问题，叠加原
理不再适用
可能有多个平衡 位置(特征值)解具 有多值性。一般要 寻求最小临界力
2）判别稳定性的基本原则
❖对处于平衡状态的体系施加一个微小干扰，当
干扰撤去后，如体系恢复到原来的位置，该平衡 是稳定平衡，否则是不稳定的。
微扭）平衡状态。
相应的荷载NE——屈曲荷载、临界荷载、平衡分 岔荷载
稳定分岔失稳 此类稳定又可分为两类：不稳定分岔失稳
❖非理想轴压或压弯构件或结构的稳定(imperfect) 又称：极值点失稳或第二类稳定问题 (limit-load-instability)
定义：平衡状态渐变，不发生分岔现象。 相应的荷载Nmax——失稳极限荷载或压溃荷载。
我国其它一些地方的门式刚架也发生过倒塌事故， 从设计、制作、到安装阶段都有可能出现问题。
§3-2-2 稳定问题分类
1）按平衡状态分
❖理想轴压或压弯构件或结构的稳定(perfect)
又称：分岔失稳或第一类稳定问题
(bifurcation instability) 定义：由原来的平衡状态变为一种新的微弯（或
钢结构工程质量事故分析与处理
案例3、轻钢结构事故
案例： 某倒塌的三跨门式刚架轻
型钢结构厂房，每跨跨度均 为30m，厂房总长度为504m， 总宽度为90m，每一榀柱距为 8m，柱子为H形钢，梁为工 字梁，节点采用螺栓连接。
事故分析
设计疏忽：
通过对门式轻型钢结构厂房进行结构计算分析，结果表明：厂房的承载力满 足设计荷载的要求（基本雪压取值为0. 45 kN/m2）。但在现场调查中发现，钢 柱之间没有设置足够斜撑；《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定：当建 筑物宽度大于60m时，在内柱列宜适当增加柱间支撑。本厂房宽度为90m，应该 考虑适当增加柱间支撑，但是在设计中未考虑到这一项。当雪荷载超过设计荷 载值一定范围时，钢柱之间没有足够的平面外支撑，容易造成钢柱的平面外失 稳，导致整个结构倒塌。
1. 钢屋架结构事故 2. 钢网架结构事故 3. 轻钢结构事故
三、钢结构的质量事故及 其原因分析
1. 钢结构承载力和刚度的失效 2. 钢结构的失稳 3. 构件的疲劳破坏 4. 钢结构的脆性断裂 5. 钢结构的腐蚀破坏
四、钢结构的加固
1. 钢结构加固的基本要求 2. 钢结构的加固方法
钢材的性能及可能的缺陷
使用中无维护：
在厂房交付使用后，没有执行定期检查和日常维护。例如，螺栓及连接件 的生锈，或者周围潮湿的环境使钢结构容易生锈，而未采取措施，久而久之钢 结构构件锈蚀加剧，从而降低构件的承载力，以致影响整个结构的承载力，甚 至危及结构的安全。
厂房的用途：
厂房的用途不同，也会存在安全差异。两栋设计相同的厂房，未倒塌的厂 房一部分为生产车间，另一部分为仓库，倒塌的厂房主要用于办公和仓库用房； 作为生产车间的厂房温度较高，积雪少于另一栋，因此在雪灾中幸免于难，而 作为办公和仓库用房的厂房倒塌。在对未倒塌厂房的检测中发现，作为生产车 间的区域檩条变形、钢柱倾斜度、钢梁挠度，均比作为仓库用途的区域小；在 作为仓库用途的区域中，发现基础有很多裂缝，而生产车间区域的基础很少发 现有裂缝。
钢结构的可能破坏形式课件.ppt
• 在超静定结构中其某个构件的某个截面出现塑性铰并不 意味结构失去承载能力。由于塑性内力重分布结构可以 继续承受增加的荷载。
3.4结构的疲劳破坏
• 3.4.1疲劳破坏现象 • 钢结构或钢构件在连续反复荷载的作用下，要发生疲
劳破坏。
• 钢结构或钢构件总是存在裂纹，疲劳破坏就是裂纹发 展导致最后断裂。
• 3.4.2影响疲劳强度的因素 • 包括应力集中、缺陷、残余应力等因素，它们相互交
织在一起，通常用试验判定。 • 3.4.3疲劳强度的确定 • 《钢规》当应力变化的循环次数 n大于或等于 5 ×104
次时，应进行疲劳计算。
• 由试验可知，焊接结构应力幅△σ与疲劳破坏荷载循
环次数一一对应，而与钢材种类没有关系。
•
对一般简支实腹吊车梁疲劳验算位置有4处(见图)： • ①下翼缘与腹板连接角焊缝； • ②横向加劲肋下端的主体金属； • ③下翼缘螺栓和虚孔处的主体金属； • ④下翼缘连接焊缝处的主体金属。
•简支吊车梁疲 劳计算位置
3.5结构的累积损伤破坏
• 钢构件在荷载反复作用下，要发生此类破坏。如钢柱或 梁柱节点在强地震作用下的破坏。由于构件累积损伤造 成的破坏是再强度很大的荷载作用下，反复次数不多情 况下发生的，又称低周疲劳断裂。
• 2、极值型失稳
• 结构变形随荷载增加而增加，且愈来愈快，直到结构 不能承受增加的外荷载而压溃。又称第二类稳定。
• 3、屈曲后极值型失稳
• 失稳时有平衡分岔现象，但不立即破坏，有较显著的 屈曲后强度，可继续承载直到出现极值型失稳。
• 4、有限干扰型失稳
• 结构屈曲后承载力迅速下降，如有缺陷结构在受荷过 程中就不出现屈曲现象而直接进入承载力较低的极值 型失稳。又称不稳定分岔屈曲，这类结构称缺陷敏感 型结构。
钢结构脆性破坏浅析
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。 裂纹有大小之分 。 尤其是尖锐 的裂纹使 构件受力时处 于高度应力集 中。裂纹随应力 的增大而扩 展， 起初是稳定 的扩展 ， 后来达 临界状态 ， 出现失 稳扩展 而断裂。 于高强钢材制作 的结构 ， 对 构件 中储存 的应变能
第３ Ｏ卷第 １ 期 ２
Ｖｏ ．０ ｏ １ １ Ｎ ．２ ３
企 业 技 术 开 发
Ｔ ＨＮＯ ＯＧＩ ＡＬ ＤＥ ＥＥ Ｌ Ｃ ＶＥＬ Ｐ Ｏ ＭＥＮ ＮＴ ＲＰ Ｓ Ｔ ＯＦ Ｅ Ｅ ＲＩ Ｅ
２ １ 年 ６月 ０１
Ｊ ｎ２ １ ｕ ．０ １
钢 结 构脆 性破 坏 浅析
２ 影响钢结构脆性断裂的因素
２１ 裂 ．
有众多的优点 ，但不利 的是焊缝缺陷 以及 残余应力 的存 在往往是应力集 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 的结构 。主要有以下原 因 ： 焊缝 或多或少存在一些缺 陷 ， ① 如裂纹 、 渣 、 夹 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 残余应力 又分为残余拉应力和残余压应力 ，前者与其它 因素组合作用可能导致开裂 ；③焊接结构的连接往往刚
漏 木 ｜ 皿
（ 广西建筑科学研究设计 院， 广西 南 宁 ５ ０ １ ） ３０ １
摘 要： ２ 自 ０世 纪 ５ 年 代 后 ， 国 的钢 结构 日益 蓬 勃 发展 ， 其轻 型钢 结 构 的 发 展 更 是 如 火如 荼 。 钢 结 构 （ ） 我 尤
由 于其 自身 的优 越 性 ， 渐 受 到 工 程 师 和 用 户 的 青睐 。但 在 国 家 大 力推 广应 用钢 结 构 的 同 时 ， 们 应 该 对 钢 逐 我
钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施
第22卷第1期2004年3月 河北建筑工程学院学报JOURNAL OF HEBEI INSTITU TE OF ARCHITECTURAL EN GINEERIN G Vol.22No.1March 2004收稿日期:2002-12-09作者简介:男,1975年生,讲师,张家口市,075024钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施李志强1 孟志山2 房东升31河北建筑工程学院;2张家口市第一建筑工程有限公司;3栾城县建设局摘 要 主要就钢结构构件脆性断裂的因素进行深入分析.从实践出发,对目前国内外有代表性的钢材脆性评定方法进行简要介绍.并就钢结构在设计和制造上如何预防和控制脆性断裂提出了具体的措施.关键词 脆性断裂;因素;评定方法;控制措施中图号 TU311从19世纪末期钢结构大量采用开始,因钢结构脆性断裂而导致的事故不断出现,有一些造成了重大人员和财产损失.世界上第一次有记录的钢结构脆性断裂破坏发生于1886年10月,美国纽约州长岛的格拉凡森(Gravesend ,Long Island ,N ・Y ・)一个大的铆接立柱式钢水塔在一次以静水压力验收试验中,水塔下边截面25.4mm 厚板突然沿6.1m 长竖向裂开,裂开部位是由很脆钢板组成.我国近期发生的如1996年吉林省五道江大桥(跨度28m ),大桥桥架第一、二根斜拉杆脆性断裂,桥节点有裂缝0.1～0.2mm 宽,共计裂缝700多条,幸亏发现及时未致重大事故发生.1 钢结构脆性断裂的因素导致钢结构构件脆性断裂的因素很多,主要因素有化学成份、温度、构件厚度、冶金缺陷、构造缺陷、设计缺陷等,限于篇幅及论文侧重点,只简要论述最基本的前三种因素.1.1 钢中碳、硫、磷元素含量的影响钢中碳元素含量增高会使钢的脆性转变温度升高.随含碳量的增加,钢的最大恰贝冲击值显著降低.恰贝冲击值与试验温度曲线梯度趋于缓慢,而脆性转变温度显著升高,如图1所示.钢中磷含量的增加使晶界断裂应力降低,脆性转变温度升高.文献[1]指出钢中含0.1%以上的磷就会引起晶界断裂应力降低.磷对钢脆性转变温度影响如图2所示,随磷含量增加,钢脆性转变温度升高.硫与磷的存在对钢的断裂韧性起有害作用.随硫、磷含量增加,钢的K 1c 值下降.文献[2]提供了硫、磷对40SiMnCrMoV 超高强度钢的K 1c 影响,如图3和图1所示.硫、磷含量增加使该钢K 1c 降低,硫危害性更大.文献[3]指出:AISI4345钢随硫含量增加使K 1c 值降低.但个别现象是GCr15钢中硫含量增加反而有利于K 1c 值提高.钢中锰元素的存在对改善其脆性性能有一定帮助,随锰与碳之比值提高,碳、磷有害作用下降,钢的脆性转变温度显著降低.如图4所示.硫、磷降低钢的断裂韧性的原因,主要有两点:1)偏聚于原始奥氏体晶界,促使晶界脆化.2)硫化学反应生成MnS 在基体中形成脆性微裂纹起源核心,使微裂纹成核源增加,导致脆断容易发生.减少钢中硫、磷含量是改善钢断裂韧性的重要途径,特别是超高强度钢.选用适宜冶炼方法是提高钢的纯度最直接、最易实现的途径,与普通电炉炼钢法相比,采用真空冶炼能提高钢的纯度,超高强度钢表1 S 、P 对钢的K 1c值的影响一般用真空自耗炉(或真空电弧炉)重熔,以减少钢中杂质和偏析,以提高钢断裂韧性.各先进工业国都对硫、磷含量作了较低规定,一般都限于0.06%以下,但我国各大钢厂所产钢材偏析依然较重,质量不稳定,影响偏析的因素中(铁矿石元素、炼钢方法、钢锭大小、冶炼技术等),主因是炼钢方法和冶炼技术.偏析大将会引起热脆、冷脆、裂缝、疲劳等一系列问题.1.2 钢板厚度对脆性断裂的影响随着工业经济水平的提高,工程结构大型化成为趋势,构件钢板厚度有大为增加趋势,而钢板厚度92第1期 李志强 孟志山 房东升 钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施增加,对钢脆性断裂有较大影响,厚钢板的缺口韧性差已由试验证明.在V 型恰贝试验中,随钢板厚度增加,脆性转变温度(FA TT )提高,如图5所示.由止裂试验证明:低碳钢板厚由50mm 增加到125mm 时,止裂温度(CA T )值约升高0.4℃/mm.文献[4]介绍了C -Mn 钢板厚度对脆性断裂开始温度的影响,由图6所示的深缺口试验所测得脆性断裂开始温度[Ti ]c =40与板厚的关系,图中表明:钢板由50mm 增加到150mm ,板厚每增加1mm ,其脆性断裂开始强度上升0.17℃;钢板由150mm 增加到200mm ,板厚每增加1mm ,其脆性断裂开始温度上升0.52℃,也即钢板越厚,低温脆性倾向越强.2 低温脆性试验和评定方法钢材脆性特性的评定方法,国内外有多种试验方法,由于观点各异,所以评定指标亦不同.目前国内工程界常用小型试验方法有缺口静弯试验、撕裂试验、冲击韧性试验和落锤试验等,大型实验方法有Roberton 试验、ESSO 试验、双重拉伸试验、断裂力学试验、动态断裂韧性试验.以实际工程中常用的冲击韧性试验为例,其脆性评定常有两种方法:1)在某一规定冲击能量水平上发生断裂的温度作为材料的脆性转变温度;2)在脆性转变温度区间中,冲击试样断口外形从韧性的纤维状转变为脆性粗晶粒状态.因此第二种评定方法是用粗晶面百分率或断口纤维的百分率为50%(或65-70%)时的温度,作为冷脆转折温度(FA TT ).有些国家提出以断裂后试样断面收缩率为3.8%作为验收标准.3 断裂韧性K 1c 与恰贝冲击能Cv 的关系恰贝冲击试验得到较广泛采用,但其Cv 值不能直接反映实际结构材料的脆性特性.而断裂力学结构脆断防止提供了定量的依据,对设计而言,K 1c 值比Cv 值有用.但由于中、低强度钢K 1c 测定费用高昂(因为该试验需很厚钢板,因此需能量较大设备及仪器),因此相比较Cv 值测定试验简单易行,费用较低,工程实用仍有价值.国外对K 1c 与Cv 间关系做过一些研究试验,获得了一些经验公式.(1)转变曲线上限有温度范围内Cv 与K 1c 的关系,由Rolfs 等人提出,文献[5],以供参考.K 1c /σs =5(Cv/σs -0.05)Cv ———在80°F 温度上由标准恰贝试样测定冲击, ・磅;K 1c ———在80°F 温度上断裂韧性,千磅/英寸3/2;σs ———在80°F 温度上屈服应力,千磅/英寸2;(2)在低温和转变温度范围内Cv 与K 1c 的关系,文献[6].03河北建筑工程学院学报第22卷K 1c =15.5(Cv )1/2,符号意义同上,英制单位.(3)动态断裂韧性K 1d 与Cv 的关系,文献[7]给出中、低强度钢经验公式.K 1d =15.873(Cv )0.375,符号意义同上,英制单位.在裂纹尖端上高的约束(如钢板厚度,平面应变状态)能导致钢结构早期脆断,因此,设计上力救使缺口尖端约束程度最小(如薄钢板或平面应力状态),故材料选择中应考虑板厚对韧性的影响,为建立一个对各种结构适用而满意的约束水平,可采用断裂力学得出下列3式:1)弹性平面应变状态:(K 1c /σs )或(K 1d /σyd )<(t/2.5)1/22)平面应力(弹塑性)状态:(t/2.5)1/2<(K 1c /σs )或(K 1d /σyd )<a (t )1/2上式中:a -常数,为2～3;t -钢板厚度,mm ;K 1c ,K 1d -静态、动态断裂韧性,N/mm 2;σs ,σyd -静态、动态屈服应力,N/mm 2.4 钢结构在设计和制造上对脆性断裂的控制传统设计的强度计算以钢材屈服强度作为设计依据,它能满足一般情况需要,但它不能避免结构脆性断裂的发生,因为传统设计没有考虑钢材各元素含量、钢板厚度、温度、加载速度、三向应力状态等会引起脆断的因素.随着近代工业发展,如何从设计和制造上防止结构脆断成为一个很重要的研究课题.采用合理的结构设计防止脆断裂的发生,主要对下列方面加以控制:结构最低工作温度、应力集中状况、材料断裂韧性水平、材料缺陷情况、结构承受荷载情况(是否承受重复荷载,冲击荷载)以及环境腐蚀情况.(1)由于温度、材料厚度是影响脆断的主因,所以设计时要求接头的承载能力设计得比与其相连的杆件承载力高20%～50%.在满足应力和构件稳定性前提下,设计构件的断面应尽量选用最薄断面,增加构件厚度将增大脆断的危险.(2)保证焊接质量,尽量减少因焊接造成的缺陷,设计上应选择适当的焊缝金属缺口韧性,较厚板材或型钢焊前必须预热,施焊过程中尽量不在负温条件下进行,焊接后必须保温缓冷,尽量保证焊接质量,减少缺陷产生.若结构在设计上不能避免应力集中和焊接质量时,则必须选用韧性高的材料和焊条,以保证结构有较高抗脆断能力.还有当某一结构部位由于结构形状限制而不能进行非破坏性检查,或结构中小于临界尺寸的缺陷被漏检时,若材料有较高韧性,则对减小结构的脆断危险将起重要作用.(3)设计焊接结构应尽量避免焊缝集中和重叠交叉.要采用较好的焊接工艺(合适的输入热量和操作方法).为保证焊透,应当考虑使结构最低工作温度尽量大于钢材冷脆转变温度.若结构工作温度过低甚至低于钢材冷脆转变温度,则应降低设计应力,使应力低于不会出现裂纹扩展的水平,即在CTA 以下.若设计应力亦无法降低,则只能选用韧性更高、冷脆转变温度更低的钢材.(4)在结构设计中应尽量将因缺陷引起的应力集中减小到最低限度,如避免尖锐角,尽量用较大半径的圆弧.设计中应尽量保证结构的几何连续性和刚度连贯性,因为不连续的突变区往往形成应力集中,同时应对连渡段的连接采取正确焊接方法.接头处在焊接与制造时可能有缺陷,所以需将接头远离应力集中区,最好在应力最小部位,尽量避免焊缝表面缺陷.残留焊接金属或凸部分应清除干净.以使表面平整,对承受冲击或反复荷载的对接接头应用外拖板,使起弧和灭弧均落于接头母体外边.焊好后再割下拖板,便能保证焊缝质量.焊接管和其它配件端,在全部焊完后,应打磨出一个平滑圆角,可以减少应力集中.受拉构件上焊缝应顺接力方向设计,不要垂直向施焊,否则会导致晶粒粗大,韧性很差的热影响区,横割拉力,即“切割”现象.最后需补充的是,无论何种焊接结构,在各方面条件具体情况下,应尽量消除焊接残余应力,以防止焊接结构件变形,引起附加应力或造成安装就位困难,方法可采用振动法或加热回火法等,可根据工程具体情况而定.13第1期 李志强 孟志山 房东升 钢结构构件脆性断裂的分析及控制措施(5)设计人员选用钢材时,除应核算强度外,还应保证材料有足够韧性,应从断裂力学理论出发选择具有较高断裂韧性的材料.在静荷载下裂纹产生和扩展是由局部区域上应力高度集中引起,如果是韧性较高材料,裂纹进一步扩展将会遭到遏制,这是因为裂纹扩展需消耗更多的能量.实际工程中,可采用常用的恰贝冲击韧性实验(其它实验方法均可,视实际条件而定),得到恰贝冲击能Cv ,由前面2中所述Cv 与断裂韧性K 1c ,由K 1c 评定钢材脆性特性,以此作为选择钢材依据,此方法简单易行,耗费时间少,成本低,具有较普遍的工程意义.参 考 文 献[1] Hogkins B E et al :J.I.S.I 1958;188;218[2] 北京钢铁研究院超强度组.新金属材料.1975,3;1[3] Wei RP.ASTM.STP 3811965;279[4] 邓枝生.新金属材料.1995;11～12,123[5] Barsom J M ,Rolfe S T.ASTM STP 466.1970.281[6] Parist P C ,etal.ASTM ,STP599,1973;86[7] Sailors R H ,etal.ASTM ,STP514,1971,164[8] 褚武扬.断裂力学基础.科学出版社,1979[9] 周顺深.钢脆性和工程结构脆性断裂.上海科学技术出版社,1986[10]IMPACT TESTIN G OF METAL S 1970Amposium presented at the 72nd Annual Meeting ,ASTM Atlantic City , N.y.22-27J une 1969Analysis of Steel Structure Member Brittle Fracture and Its Control MeasureLi Zhiqiang 1 Meng Zhishan 2 Fang Dongsheng 31HeBei Institute of Architecture and Civil Engineering ; 2Zhangjiakou No.1Construction Engineering Co.Ltd ; 3Construction Bureau of Luancheng County ,HeiBei ProvinceAbstract This article mainly goes on deep analysis with the factor of steel structure brittle fracture ,and sim ply in 2troduces the domestic and foreign representative evaluation of steel brittleness at present.In addition ,it puts forward overall and s pecific measrures to prevent and control brittle fracture when we design and construct steel struc 2ture.K ey w ords brittle fracture ;factor ;evaluation ;control measure 23河北建筑工程学院学报第22卷。
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钢结构脆性破坏分析
结构的脆性破坏是各种结构可能破坏形式中让人最头痛的一种破坏。
脆性断裂破坏前结构没有任何征兆不出现异样的变形，没有早期裂缝。
脆性断裂破坏时，荷载可能很小，甚至没有任何荷载的作用。
脆性断裂的突发性，破坏过程的瞬间性，根本来不及补救，大大增加了结构破坏的危险性。
一、钢结构脆性断裂的特征
脆性破坏，破坏时几乎不发生变形，而且是瞬间发生，破坏时应力低于极限承载力。
钢材晶格之间的剪切滑移受到限制，使变形无法发生，脆性破坏的结果是钢材晶格间被拉断。
发生的机会较多，因此非常危险。
在处于韧性状态的材料中，裂纹的扩展必须有外力做功。
如果外力停止做功，裂纹也就停止扩展。
在处于脆性状态的材料中，裂纹的扩展几乎不需要外力做功，仅在裂纹起裂的时候，从拉应力场中释放出的弹性能可驱动裂纹极为迅速的扩展。
对于钢结构，发生脆性破坏时，已经注意到主要有以下一些共同的特征：
残余应力的存在在某些构件的空洞、缺口、尖锐凹角、截面突变及焊接部分引起三轴向拉力；所用钢材对含有大量非金属杂质很敏感；板厚度过大影响；应力集中影响；多数破坏发生在低温情况下；焊接和钢材中冶金质量影响；脆性断裂在所有情况下发生都是突然的。
二、影响钢结构脆性断裂的因素
2.1 裂纹
断裂力学的出现，较好的解答了钢结构低应力脆断问题。
钢结构或构件的内部总是存在不同类型和不同程度的缺陷。
比如对接焊缝的未焊透，角焊缝的咬边，未熔合等。
这些缺陷通常可作为裂纹看待。
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。
裂纹有大小之分。
尤其是尖锐的裂纹使构件受力时处于高度应力集中。
裂纹随应力的增大而扩展，起初是稳定的扩展，后来达临界状态，出现失稳扩展而断裂。
对于高强钢材制作的结构，构件中储存的应变能高，断裂的危险性也就大于用普通钢材的结构。
因此，对高强钢材的韧性应要求更高一些。
2.2 应力集中的影响
钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等不可避免，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。
应力集中越严重，就越容易发生脆性断裂破坏。
应力集中是产生三向应力的根源，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。
钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关：在钢构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变在所难免。
焊接作为钢结构的主要连接方法有众多的优点，但不利的是焊缝缺陷以及残余应力的存在往往是应力集中源。
焊接焊缝的缺陷对钢结构的影响，具体原因有一下几点：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残余应力又分
为残余拉应力和残余压应力，前者与其它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，裂缝将会终止。
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℃左右钢材的抗拉强度反弹，f有较大提高，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℃，fy及E 均接近于零，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，而塑性韧性降低，脆性增大。
尤其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。
通常又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。
三、防止脆性断裂的措施
随着现代钢结构的发展以及高强钢材的大量采用，防止其脆性断裂已显得十分重要。
为防止脆性断裂的发生，可以从以下几个方面入手：
①合理的设计。
设计上，首先要考虑合理的选择材料，特别是承受动力何在或者低温
下工作的钢结构构件，就不应选择沸腾钢，其次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，再则是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。
各构件应避免锐突和开口，避免多条
焊缝交汇；设计时还需考虑施工工艺，为施工留有适当的工作面，往往有得焊接缺
陷是由于工作面窄，造成施工困难留下的。
②合理的制作和安装。
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。
③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。
四、结语
随着经济的发展和技术的进步，钢材的质量、数量都有很大的提高。
钢结构由于其独特的优越性，在工程中应用越来越广泛。
同时，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，一旦发生，损失巨大，文章通过工程实例对脆性破坏做简要探讨，旨在引起工程实际中对钢结构脆性断裂的重视。