第5章 钢结构脆性断裂事故

第5章钢结构的脆性断裂事故

5.1 脆性断裂概念

钢结构是由钢材组成的承重结构，虽然钢材是一种弹塑性材料，尤其低碳钢表现出良好的塑性，但在一定的条件下，由于各种因素的复合影响，钢结构也会发生脆性断裂，而且往往在拉应力状态下发生。脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力（低于钢材屈服强度或抗拉强度）情况下发生的突然断裂破坏。钢结构的脆性断裂通常具有以下特征：1．破坏时的应力常小于钢材的屈服强度ƒy，有时仅为ƒy的0.2倍。

2．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。

3．断口平齐光亮。

脆性破坏是钢结构极限状态中最危险的破坏形式。由于脆性断裂的突发性，往往会导致灾难性后果。因此，作为钢结构专业技术人员，应该高度重视脆性破坏的严重性并加以防范。

5.2 脆性断裂的原因分析

钢结构塑性很好，但仍然会发生脆性断裂，是由于各种不利因素综合影响或作用的结果，主要原因可归纳为以下几方面：

一．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。

二．应力集中

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。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。钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关：

1．在钢构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变在所难免。

2．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。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：（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。

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0ºC 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200ºC 以内时，钢材的性能没有多大变化。但在250ºC 左右钢材的抗拉强度反弹，ƒy 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600ºC ，ƒy 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0ºC 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。

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。

5.3 脆性断裂的机理分析

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。

按照线弹性断裂力学理论，当板处于平面应变条件下时，当应力强度因子

IC I K K ≥∂=σπα （5—1）

则裂纹将失效扩展而造成张开型（I 型）断裂。（见图5.1）

式中σ—板的拉应力；

α—裂纹尺寸；中心裂纹取宽度的一半；边缘裂纹取全宽度；

∂—与裂纹形状、板宽度及构件几何形状、应力集中造成的应力梯度等因素有关的系数；

ＫIC —断裂韧性，代表材料抵抗裂纹失稳扩展的能力；

图5.1 裂纹形式

由公式（5.1）可知，裂纹尺寸α以及抗拉应力σ越大，脆性断裂的可能性越大。实际中钢材并非无限弹性，对于强度高而断裂韧性较低的材料，裂纹旁塑性区范围不大，只要对系数α稍做修正，公式（5-1）便可以使用。但建筑结构所用钢材通常强度不高而韧性较好。带裂纹板件受拉时常常出现较大屈服范围。因此，需要利用弹塑性断裂力学代替线弹性断裂力学来解决低应力脆断问题。目前可以用来衡量韧性材料抵抗断裂能力的有“裂纹张开位移理论”（即COD 理论）。按此理论，当薄板受拉满足条件

c y y f Ln E a f δπσ

π≥)2sec(8 （5—2） 构件即将开裂：公式左端代表裂纹顶端张开位移，右端则是位移的临界值。由公式（5-2）可知，韧性好的钢材何时断裂也与α，σ紧密相关。裂纹的出现及其扩展需要能量，能量来自拉应力σ提供的应变能。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。

目前，断裂力学已成功用于球罐和氧气瓶等高压容器的断裂安全设计，尚未直接用于建筑结构。但断裂力学在分析脆断破坏机理方面的一些重要概念值得钢结构专业人员借鉴。比如：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因等等。

5.4 脆性断裂的防止措施

钢结构设计是以钢材的屈服强度ƒy 作为静力强度设计依据，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采用，防止其脆性断裂已显得十分重要。笔者认为可以从以下几方面入手：

（1）合理选择钢材

钢材通常选用原则是保证结构安全可靠，同时要经济合理、节约钢材。具体而言，应考虑到结构的重要性，荷载特征，连接方法以及工作环境，尤其是在低温下承受动载的重要的