第5章-钢结构脆性断裂事故

60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61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ICIKK（5—1）62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；—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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cyyfLnEaf)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63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GB700-88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+20ºC冲击试验；C级：要求0ºC冲击试验；D级：要求-20ºC冲击试验。在此说明一点，对于焊接结构至少应选用Q235B。（2）合理的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尽量宽而薄。切记：增加构件厚度将增加脆断的危机，尤其设计焊接结构应避免重叠交叉和焊缝集中。（3）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。（4）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。5.5典型事故实例钢结构脆性断裂事故在铆接时期已有所发生，直到焊接时期事故大大增加。事故发生已遍及桥梁、船舶、油罐、液罐、压力容器、钻井平台以及工业厂房等领域，本节按此顺序列举了20个典型事例。[事故实例5.1]美国纽约铆接钢水塔脆性断裂1886年10月，美国纽约州长岛的格拉凡森一个大的铆接立柱式钢水塔，在一次静水压力验收实验中，水塔下边25.4mm的厚板突然沿6.1m长的竖向裂缝裂开，裂开部位钢板脆性很大。这是世界上第一次有记录的钢结构脆性断裂破坏事故。[事故实例5.2]比利时阿尔贝特运河上多座钢桥脆性断裂第二次世界大战前夕，在比利时的阿尔贝特（Albert）运河上建造了约五十座全焊接拱形空腹式桁架钢桥。材料为比利时9t42转炉钢。（1）其中跨度为48.78m的长里华大桥在-14ºC时脆断。64（2）1938年3月，比利时哈瑟尔特全焊拱形空腹式钢桥在交付使用一年后，当一辆电车和几个行人通过时，突然断裂为三段坠入阿尔贝特运河。该桥跨度74.5m，上下弦均为两根工字钢组成的箱形截面，钢板最大厚度56mm，节点板为钢铸件。该桥第一条裂缝由下弦开始并发生巨响，6分钟后垮塌，当时桥上荷载很小，气温较低为-20ºC。（3）跨度60.98m的亥伦脱尔—奥兰（Herenthals--oolen）大桥在1940年1月19日破坏，当时的气温-14ºC，其中有一条裂缝长达2.1m，宽为25mm，但此桥未坍落，且在开裂后5小时，当一列火车通过时此桥竟平安无事。据统计自1938年至1950年在比利时共有十四座大桥断裂，其中有六座桥梁属负温下冷脆断裂。大部分在下弦与桥墩支座的连接处断裂且应力处于极限状态。归结大桥断裂的原因主要有四点：应力集中，残余应力，低温和k值太小。[事故实例5.3]加拿大杜佩里西斯大桥脆性断裂1951年1月31日，加拿大魁北市的杜佩里西斯（Duplessis）全焊接钢板大桥（建于1947年）整跨脆断落于冰冻的河中，当时的气温-35ºC。该桥其中6跨的跨度为54.88m，2跨的跨度45.73m，在使用27个月后，桥的东端曾发现裂纹，于是用钢板焊补过。[事故实例5.4]澳大利亚皇帝大桥脆性断裂澳大利亚的墨尔本（Melbounne）皇帝大桥（kingbridge）为焊接腰板梁多跨结构。跨度30.49m，梁高1.52m。使用15个月后，1962年7月当一辆载重45t的大卡车驶过其中一跨时突然破坏，下挠达300mm，后来由于钢筋砼桥而阻止了它的继续破坏。裂缝起始于加劲板与下翼缘接头处的热影响区以及下翼缘盖板母材上，顺着应力集中区与构件厚度突然展开，进而发展，属脆性断裂。[事故实例5.5]中国辽阳太子河桥脆性断裂我国沈阳至大连的铁路线上在辽阳附近的太子河桥，跨度33m，1973年初大桥桁架的第一根斜拉杆断裂，桥架的第二节间下挠达50mm，见图5.2。图5.2太子河桥斜拉杆断裂示意但奇怪的是在此拉杆断裂后竟然还前后通过了十次列车而未发生事故。其后立即抢修加固，并于1974年换了新桥。65[事故实例5.6]美国一批自由轮脆断沉没40年代初期美国一批焊接船舶发生典型的脆性破坏。1943年1月一艘油轮在船坞突然断成两截，当时气温-5ºC。船上仅有试航的载重，内力约为最大的设计内力的一半。在以后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。据记载，在此期间美国建造了约2500艘自由轮，400艘胜利轮以及约500艘T—2油船均为全焊接船。由于战争期间焊工缺乏造成焊接质量低劣，再加上船壳甲板采用方角舱口形成缺口影响。因此在运行过程中遇到-5~+5ºC时不少船只都一裂为二，沉入海底。在-5ºC中损失的船只比在+5ºC气温下要少。这并非