对钢结构脆性破坏的认识

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秦荷成

（广西建设职业技术学院，广西 南宁 530003）

【摘 要】历史上，钢结构的脆性破坏屡有发生，尤其是在焊接结构大量取代铆接结构的过程中，脆断发生频率高。文章对钢结构脆性破坏的破坏形式、破坏特征及破坏原因进行了描述，并提出了防止钢结构脆性破坏的一些措施。

【关键词】钢结构；脆性破坏 【中图分类号】TU391 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2009)05-0126-01

（一）钢结构的破坏形式

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。脆性断裂破坏，从宏观上讲，脆性破坏的主要特征表现为断裂时伸长量极其微小(例如生铁在单向拉伸断裂时为0.5%～0.6%)。如果结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致的，那么称结构发生了脆性破坏。对于脆性破坏的结构，几乎观察不到构件的塑性发展过程，往往没有破坏的预兆，因而脆性破坏的后果经常是灾难性的。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。

（二）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：由于过载，强度不足而导致的断裂。这种断裂破坏发生的速度通常极快（快2100m／s），后果极其严重。在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。2.非过载断裂：塑性很好的钢构件在缺陷、低温等因素影响下突然呈脆性断裂。3.应力腐蚀断裂：在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。4.疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂：在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。疲劳断裂有高周和低周之分。循环周数在1炉以上者称为高周疲劳，属于钢结构中常见的情况。低周疲劳断裂前的周数只有几百或几十次，每次都有较大的非弹性应变。典型的低周疲劳破坏产生于强烈地震作用下。环境介质导致或加速疲劳裂纹的萌生和扩展称为腐蚀疲劳。5.氢脆断裂：氢可以在冶炼和焊接过程中侵入金属造成材料韧性降低而可能导致的断裂。焊条在使用前需要烘干，就是为了防止氢脆断裂。

（三）钢结构脆性断裂破坏的特征

脆性破坏，破坏时几乎不发生变形，而且瞬间发生，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，仅在裂纹起裂时，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：1.残余应力的存在要在某些焊接部分引起三轴向拉力。2.所用钢材对含有大量非金属杂质很敏感。3.多数破坏发生在低温情况下。4.板厚度过大影响；应力集中的影响。5.焊接和钢材中冶金质量影响。6.脆性断裂在所有情况下都是突然发生的。

（四）钢结构脆性断裂破坏的原因

历史上，钢结构的非过载脆性破坏屡有发生。破坏时应力并未达到材料的抗拉强度，甚至还低于屈服点。尤其是在焊接结构大量取代铆接结构的过程中，脆断发生频率高，其中不乏后果严重者。究其原因，有如下一些：1.焊缝缺陷的存在，使裂纹萌生的概率增大。2.焊接结构中数值可观的残余应力，作为初应力场，与荷载应力场的叠加可导致驱动开裂的不利应力组合。3.焊缝连接通常使得结构的刚度增大，结构的变形，包括塑性变形的发展受到更大的限制。尤其是三条焊缝在空间相互垂直时。4.焊缝连接使结构形成连续整体，没有止裂的构造措施，则可能一裂到底。5.对选材在防止脆性破坏中的重要性认识不足。

除此之外，对于大型复杂结构、工作条件恶劣(如海洋工程)的结构的认识不足等都是造成脆性破坏发生的因素。

（五）防止钢结构脆性断裂破坏的措施

为了确保结构安全，传统的强度计算是材料的屈服强度作为设计依据，这种设计并不能避免结构脆性（下转第125页）

【收稿日期】2009-03-05

【作者简介】秦荷成（1982－），广西临桂人，广西建设职业技术学院教师，国家注册二级建造师，广西大学在读硕士。

例如施工未留企口缝；板的后浇带不支模板，造成斜坡搓；疏松混凝土未彻底凿除等都可能造成板面的裂缝。

（四）施工裂缝的预防措施

1.严格控制混凝土施工配合比

根据混凝土强度等级和质量检验以及混凝土和易性的要求确定配合比。严格控制水灰和水泥用量。选择级配良好的石子，减小空隙率和砂率以减少收缩量，提高混凝土抗裂强度。

值得注意的是近年来，我国一些城市为实现文明施工，提高设备利用率，节约能源，都大量采用商品混凝土。因此加强对商品混凝土塌落度的检查、检测是保证施工质量的重要因素。

2.加强湿润与振捣

在混凝土浇捣前，应先将基层和模板浇水湿透，避免过多吸收水分，浇捣过程中应尽量做到既振捣充分又避免过度。

3.加强养护

混凝土楼板浇筑完毕后，表面刮抹应限制到最小程度，防止在混凝土表面撒干水泥刮抹。并加强混凝土早期养护。楼板浇筑后，对板面应及时用材料覆盖、保温，认真养护，防止强风和烈日曝晒。

4.严格施工操作程序，不盲目赶工

杜绝过早上砖、上荷载和过早拆模。在楼板浇捣过程中更要派专人护筋，避免踩弯顶面负筋的现象发生。通过在大梁两侧的面层内配置通长的钢筋网片，承受支座负弯矩，避免因不均匀沉降而产生的裂缝。

5.加强对后浇带的施工

施工后浇带时施工人员应认真领会设计意图，制定周全的施工方案，杜绝在后浇处出现混凝土不密实、不按图纸要求留企口缝，以及施工中钢筋被踩弯等现象。同时更要杜绝在未浇注后浇带混凝土前就将部分模板、支柱拆除而导致梁板形成悬臂，造成变形。

（五）施工裂缝的处理方法

对于一般混凝土楼板表面的龟裂，可先将裂缝清洗干净，待干燥后用环氧浆液灌缝或用表面涂刷封闭。施工中若在终凝前发现龟裂时，可用抹压一遍处理。

其它一般裂缝处理，其施工顺序为：清洗板缝后用1∶2或1∶1水泥砂浆抹缝，压平养护。

当裂缝较大时，应沿裂缝凿八字形凹槽，冲洗干净后，用1∶2水泥砂浆抹平，也可以采用环氧胶泥嵌补。

当楼板出现裂缝面积较大时，应对楼板进行静载试验，检验其结构安全性，必要时可在楼板上增做一层钢筋网片，以提高板的整体性。

通长、贯通的危险结构裂缝，裂缝宽度大于0.３mm的，采用结构胶粘扁钢加固补强。板缝用灌缝胶高压灌胶。

（六）结语

只要我们精心设计、精心施工，加强现浇混凝土楼板的构造措施和施工管理，楼板裂缝宽度应该是可以得到控制的。但也不要过分控制裂缝宽度，大量的增加工程造价。只要裂缝宽度不是过大，实为正常现象。

【参考文献】

[1] 张玲,李军华.混凝土结构设计[M].机械工业出版社,2006.

[2] 李春秋,陈肇元.荷载作用下混凝土构件裂缝控制的若干问

题[J].建筑结构,2007.

[3] 中国建筑科学研究院.混凝土结构设计[M].中国建筑工业

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（上接第126页）断裂，因为传统设计不包含脆性强度概念，没有考虑温度、钢板厚度，三向应力状态等脆断的因素。随着近代工业的发展，对防止工程结构脆性断裂，合理选择材料外，设计和制造起着重要作用。

1.合理的选择材料。首先，要为承受动力荷载或低温下工作的钢结构选择合适的钢材，使所用钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度（注：使用的钢材脆性转变温度为－40℃，那么当温度达到－40℃时。钢材脆性就报剧增加，为了防止脆性破坏使用结构的工作温度就要高于－40℃，如实际工作的最低温度为－30℃）。例如选用镇静钢，因为镇静钢锭组织细密、气泡少、化学成份均匀。不宜采用沸腾钢，沸腾钢钢锭的组织不够致密，气泡较多，化学成分不均匀。用沸腾钢钢锭轧成的型钢或钢板中，常会产生沿厚度方向的分层现象和偏析现象，而在镇静钢中不但夹杂物较少，使钢材发生低温玲脆含量甚微的氯也与脱氧剂硅或铝化合成为稳定的氯化物。但在沸腾钢中，氯却以有害的不稳定的形式出现，促使钢材易产生低温脆断。钢板的厚度，尽量使用较薄的材料，因为钢材愈薄，轧压次数越多，冶金缺陷越少，发生脆性破坏可能性小。

2.严格掌握焊接及加工工艺。在修补处，在手焊时更换焊条处，时常由于工艺原因而带来新缺陷（由于修补所用热量有限，溶冶难，且冷却过快，材质会受到影响）。在焊接中钢花飞溅或焊条在基材上打火，都是错误的。树质都将变脆。接焊在施焊前要按要求加工成所需要的坡口并除锈，以防止未焊逢和焊缝产生气泡现象，若要在设计图中未曾规定设置，临时附加连件之处设置附加连件，必须得到原设计人员的同意。

3.精心设计。在工程中，有不少的脆性破坏教训，设计人员要打开思路，研究不同的设计方案，从中选优。如：可用焊后加工的方法来减少其焊接变形，以满足设计要求，也可以通过适当的施焊程序来减少焊接变形。对于施工工艺，特别是对于焊接，设计人员一定要熟悉。应该知道有不少焊接缺陷所产生，主要在于施焊位置狭窄，使施焊人员操作困难，为了提高设计质量，设计人员，必须与施工相结合。

4.需要注意的是。不能在主要结构上任意焊接附加零件，不能任意悬挂重物，不能任意超负荷使用结构，要注意检查维修，及时油裱防锈，避免任何撞击和机械损伤，原设计在室温工作的结构，在冬季停产检修时必须注意保暖。

【参考文献】

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