鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故.

1、第5章 鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故5.1 脆性斷裂概念 鋼材是一種彈塑性材料，在一定條件下會發(fā)生脆性斷裂，特征如下： 破壞時的應(yīng)力常小于鋼材的屈服強度； 破壞之前沒有顯著變形，吸收能量很小，破壞突然發(fā)生，無事故先兆； 斷口平齊光亮。5.2 脆性斷裂的原因分析 材質(zhì)缺陷 有害元素:碳,硫,磷,氧,氮,氫等有害元素; 應(yīng)力集中 局部高峰應(yīng)力與平均應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)，反映應(yīng)力集中程度； 使用環(huán)境 當(dāng)溫度較低,或在250左右時, 易發(fā)生脆斷; 鋼板厚度 鋼板越厚,脆性破壞傾向越大。 1. 材質(zhì)缺陷 當(dāng)鋼材中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素的含量過高時，將會嚴(yán)重降低其塑性和韌性，脆性則相應(yīng)增大。通常，碳導(dǎo)致

2、可焊性差；硫、氧導(dǎo)致“熱脆”；磷、氮導(dǎo)致“冷脆”；氫導(dǎo)致“氫脆”。另外，鋼材的冶金缺陷，如偏析、非金屬夾雜、裂紋以及分層等也將大大降低鋼材抗脆性斷裂的能力。 2應(yīng)力集中 鋼結(jié)構(gòu)由于孔洞、缺口、截面突變等缺陷不可避免，在荷載作用下，這些部位將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力而其余部位應(yīng)力較低且分布不均勻的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。我們通常把截面高峰應(yīng)力與平均應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)，以表明應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。 當(dāng)鋼材在某一局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，則出現(xiàn)了同號的二維或三維應(yīng)力場，使材料不易進入塑性狀態(tài)，從而導(dǎo)致脆性破壞。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材的塑性降低愈多，同時脆性斷裂的危險性也愈大。鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力集中主要與其構(gòu)造細(xì)節(jié)有關(guān)：

3、(1)在鋼構(gòu)件的設(shè)計和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂紋以及截面突變等缺陷在所難免。(2)焊接作為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方法，雖然有眾多的優(yōu)點，但不利的是，焊縫缺陷以及殘余應(yīng)力的存在往往成為應(yīng)力集中源。據(jù)資料統(tǒng)計，焊接結(jié)構(gòu)脆性破壞事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于鉚接結(jié)構(gòu)和螺栓連接結(jié)構(gòu)。主要有以下原因：焊縫或多或少存在一些缺陷，如裂紋、夾渣氣孔、咬肉等這些缺陷將成為斷裂源；焊接后結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力又分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力，前者與其他因素組合作用可能導(dǎo)致開裂；焊接結(jié)構(gòu)的連接往往剛性較大，當(dāng)出現(xiàn)多焊縫匯交時，材料塑性變形很難發(fā)展，脆性增大；焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體，一旦裂縫開展，就可能一裂到底，不像鉚接或螺栓連接，

4、裂縫 一遇螺孔，裂縫就會終止。 3. 使用環(huán)境 當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)受到較大的動載作用或者處于較低的環(huán)境溫度下工作時，鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的可能性增大。 眾所周知，溫度對鋼材的性能有顯著影響。在0以上，當(dāng)溫度升高時，鋼材的強度及彈性模量均有變化，一般是強度降低，塑性增大。溫度在200以內(nèi)時，鋼材的性能沒有多大變化。但在250左右時鋼材的抗拉強度反彈，而塑性和沖擊韌性下降，出現(xiàn)所謂的“藍(lán)脆現(xiàn)象”，此時進行熱加工鋼材易發(fā)生裂紋。當(dāng)溫度達(dá)600，我們認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)幾乎完全喪失承載力。 當(dāng)溫度在0以下，隨溫度降低，鋼材強度略有提高，而塑性和韌性降低，脆性增大。尤其是當(dāng)溫度下降到某一溫度區(qū)間時鋼材的沖擊韌性值急劇下降，出現(xiàn)低

5、溫脆斷。通常把鋼結(jié)構(gòu)在低溫下的脆性破壞稱為“低溫冷脆”現(xiàn)象，產(chǎn)生的裂紋稱為“冷裂紋”。因此，在低溫下工作的鋼結(jié)構(gòu)，特別是受動力荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)，鋼材應(yīng)具有負(fù)溫沖擊韌性的合格保證，以提高抗低溫脆斷的能力。 4. 鋼板厚度 隨著鋼結(jié)構(gòu)向大型化發(fā)展，尤其是高層鋼結(jié)構(gòu)的興起，構(gòu)件鋼板的厚度大有增加的趨勢。鋼板厚度對脆性斷裂有較大影響，通常鋼板越厚，脆性破壞傾向愈大?！皩訝钏毫选眴栴}應(yīng)引起高度重視。 綜上所述，材質(zhì)缺陷、應(yīng)力集中、使用環(huán)境以及鋼板厚度是影響脆性斷裂的主要因素。其中應(yīng)力集中的影響尤為重要。在此值得一提的是，應(yīng)力集中一般不影響鋼結(jié)構(gòu)的靜力極限承載力，在設(shè)計時通常不考慮其影響。但在動載作用下，

6、嚴(yán)重的應(yīng)力集中加上材質(zhì)缺陷、殘余應(yīng)力、冷卻硬化、低溫環(huán)境等往往是導(dǎo)致脆性斷裂的根本原因。5.3 脆性斷裂的機理分析 斷裂力學(xué)認(rèn)為，解答脆性斷裂問題必須從結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在微小裂紋的情況出發(fā)進行分析。斷裂是在侵蝕性環(huán)境作用下，裂紋擴展到臨界尺寸時發(fā)生的。 結(jié)論，微小裂紋是斷裂的發(fā)源地；裂紋尺寸、裂紋應(yīng)力場作用狀況和水平以及鋼材的斷裂韌性是脆斷的主要因素。5.3 脆性斷裂的防止措施 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是以鋼材屈服強度作為靜力強度的設(shè)計依據(jù)，它避免不了結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。隨著現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及高強鋼材的大量應(yīng)用，防止其脆性斷裂已顯得十分重要。主要從以下幾方面入手： 合理選擇鋼材 合理設(shè)計 合理制作和安裝 合理使用及

7、維修措施1. 合理選擇鋼材 鋼材的選用原則是既保證結(jié)構(gòu)安全可靠，同時又要經(jīng)濟合理。應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、連接方法以及工作環(huán)境，尤其在低溫下承受動載的重要的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇韌性高的材料和焊條。另外，改進冶煉方法，提高鋼材斷裂韌性，也是減少脆斷的有效途徑。 我國碳素結(jié)構(gòu)鋼已參照國際標(biāo)準(zhǔn)將Q235鋼分為A、B、C、D四級，其中，A級：不要求沖擊試驗；B級：要求+20沖擊試驗；C級：要求0沖擊試驗；D級：要求-20沖擊試驗。對于焊接結(jié)構(gòu)至少應(yīng)選用Q235B。2. 合理設(shè)計 合理的設(shè)計應(yīng)該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、荷載特征、應(yīng)力集中等因素后，再選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，尤其是合理的構(gòu)造

8、細(xì)節(jié)十分重要。設(shè)計時應(yīng)力求使缺陷引起的應(yīng)力集中減少到最低限度，盡量保證結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性和剛度的連貫性。比如，把結(jié)構(gòu)設(shè)計為超靜定結(jié)構(gòu)并采用多路徑傳力可減少脆性斷裂的危險；接頭或節(jié)點的承載力設(shè)計應(yīng)比其相連的桿件強2050；構(gòu)件斷面在滿足強度和穩(wěn)定的前提下應(yīng)盡量寬而薄。切記：增加構(gòu)件厚度將增加脆斷的危機，尤其是設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)避免重疊交叉和焊縫集中。3. 合理制作和安裝 就鋼結(jié)構(gòu)制作而言，冷熱加工易使鋼材硬化變脆，焊接尤其易產(chǎn)生裂紋、類裂紋缺陷以及焊接殘余應(yīng)力。就安裝而言，不合理的工藝容易造成裝配殘余應(yīng)力及其他缺陷。因此制定合理的制作安裝工藝并以減少缺陷及殘余應(yīng)力為目標(biāo)是十分重要的。4. 合理使用及維

9、修措施 鋼結(jié)構(gòu)在使用時應(yīng)力求滿足設(shè)計規(guī)定的用途、荷載及環(huán)境，不得隨意變更。此外， 還應(yīng)建立必要的維修措施，監(jiān)視缺陷或損壞情況，以防患于未然。5.5 典型事故實例分析 鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故在鉚接時期已有所發(fā)生，直到焊接時期事故大大增加。其事故發(fā)生已遍及橋梁、船舶、油罐、液罐、壓力容器、鉆井平臺以及工業(yè)廠房等領(lǐng)域，下面列舉了幾個典型事例。例1 美國紐約鉚接鋼水塔脆性斷裂 1886年10月，美國紐約州長島的格拉凡森一個大的鉚接立柱式鋼水塔，在一次靜承壓力驗收實驗中，水塔下邊25.4mm的厚板突然沿6.1m長的豎向裂縫裂開，裂開部位鋼板脆性很大。這是世界上第一次有記錄的鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂破壞事故。例2 屋蓋

10、因低溫冷脆而倒塌1. 工程及事故概況 前蘇聯(lián)某有色金屬廠平爐車間的鋼結(jié)構(gòu)除吊車梁為鉚接外，均為焊接結(jié)構(gòu)。該車間澆筑跨22m，爐子跨27.5m，配料跨18m。 事故發(fā)生時首先塌落的是B列第8690行之間的24m托架，該托架在90行柱子的一端墜落在工作平臺上，在第86行柱的另一端仍然是在柱子的支托架上。由于B列托架既支撐爐子跨和原料跨上的屋蓋結(jié)構(gòu)，又支撐B列上部的墻體，隨著托架的破壞，澆注跨、爐子跨、配料跨在第8690行的屋架、鋼筋混凝土屋面板以及墻板全部倒塌。 平爐車間結(jié)構(gòu)倒塌時，室外氣溫為-26，風(fēng)速為7m/s，倒塌地點屋面積雪厚度08cm，原料跨屋面積雪層厚度在35cm以內(nèi)，平爐廠房屋面實際

11、上沒有積灰(出事前數(shù)天已清掃了屋面積灰)。8號平爐區(qū)的橋式吊車在出事時位于爐子跨，在澆注吊車上吊著空罐。2. 事故原因分析 事故原因調(diào)查最初的結(jié)論是：由于實際施工中，90行柱沒有放置技術(shù)設(shè)計圖中規(guī)定的支托板，導(dǎo)致平爐車間主廠房B列第8490行托架下弦支座節(jié)點螺栓剪切破壞，造成屋蓋結(jié)構(gòu)部分倒塌。 經(jīng)過進一步調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)許多足以證明屋蓋倒塌是由于金屬冷脆破壞引起的證據(jù)，主要有以下幾點：(1)托架的螺栓已錨固很長時間(超過5年)，在此期間，托架上的荷載顯然可能有多次超過事發(fā)時的荷載。正如前所述，在出事前數(shù)日剛清掃完車間屋面的灰塵，發(fā)生事故時車間屋面的雪荷載相當(dāng)小，且小于設(shè)計荷載。(2)進行了檢驗?zāi)?/p>

12、擬屋架錨固連接的承載能力試驗，采用6個直徑為20mm的螺帷螺栓連接在53tf時破壞，相當(dāng)于10個螺栓的破壞荷載為88tf左右，超過出事時實際菏載的12(3)在螺栓剪斷和隨后屋架倒塌的情況下，在三個螺栓剪斷之前，上弦桿(在靠近柱子的節(jié)間)應(yīng)該彎曲和破壞。上弦桿用這三個螺栓錨固在柱子上，此處彎矩最大。但上弦桿破壞時，其彎矩較最大值小30，這種破壞起源于脆性，桿件沒有任何變形。(4)事故發(fā)生時氣溫很低，為-26，并且持續(xù)時間長。這是自平爐車間施工以來任何一個冬季所未曾出現(xiàn)過的低溫。(5)下弦節(jié)點的工作應(yīng)力相當(dāng)高，平均為780kgf/cm2；節(jié)點板邊緣應(yīng)力為1280kgf/cm2。(6)斷裂桿件和下弦

13、節(jié)點連接件在負(fù)溫下金屬的沖擊韌性低，低到0.64kgf/cm2。 同時發(fā)現(xiàn)證實下弦提前斷裂的事實：(1)斷裂的脆性特征，墊板裂面上有清楚的人字形圖案，裂縫分布在下表面及最大的邊緣應(yīng)力區(qū)。(2)在剪斷螺栓時螺栓孔邊緣沒有受擠壓的痕跡，在托架兩端鉆有同樣形狀的孔，在同樣的連接試件上拉斷后孔邊緣有明顯的受擠壓痕跡。 (3)兩端支座墊板向下彎曲，在86行一端彎起1618mm，在90行一端一個方向彎起62mm，彎曲角度事實上是反映了托架墜落在工作場地支座板阻撓其移動的程度。在螺栓剪斷(下弦無斷裂)后，屋架下墜時在90行處屋架端即支座墊板應(yīng)該是平的。 (4)90行柱節(jié)點金屬被端部支座墊板下部邊緣擦傷。擦傷

14、表明了端部支座墊板的移動對柱子的腹板產(chǎn)生了緊緊擠壓的作用，這只可能發(fā)生在下弦折斷后，托架像三鉸拱一樣產(chǎn)生橫向推力作用的情況下。橫推力為170t，如整個屋架墜落時支座墊板對柱子腹板的擠壓是不可能發(fā)生的。 在下弦斷裂后，托架將不可避免地下沉必然產(chǎn)生托架支座節(jié)點的轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致螺栓既受拉又受剪的復(fù)雜工作狀況，在這種復(fù)雜應(yīng)力下鋼材抗力立即下降。 由此可以得出結(jié)論，托架下弦不發(fā)生脆性破壞就不可能發(fā)生這次B列托架的倒塌；但在90行柱沒有支托板的情況下托架倒塌的威脅依然存在。在有支托板的情況下，B列托架下弦的斷裂可能不至于導(dǎo)致車間屋蓋的破壞，托架可像三鉸拱一樣工作而不墜落。例3 比利時阿爾貝特運河上多座鋼橋脆性

15、斷裂 第二次世界大戰(zhàn)前夕，在比利時的阿爾貝特(Alben)運河上建造了約50座全焊接拱形空腹式桁架鋼橋。材料為比利時9t42轉(zhuǎn)爐鋼。 1938年至1956年共有14座大橋斷裂，其中有6座橋梁屬負(fù)溫下冷脆斷裂，大部分在下弦與橋墩支座的連接處斷裂且應(yīng)力處于極限狀態(tài)。歸結(jié)大橋斷裂的原因主要有四點：應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、低溫和沖擊韌性值太小。例4 遼陽太子河橋脆性斷裂 我國遼陽太子河橋，跨度33m，1973年初大橋桁架的第一根斜拉桿斷裂，橋架的第二節(jié)間下?lián)线x50mm。 但奇怪的是，在此拉桿斷裂后竟然還前后通過了10次列車而未發(fā)生事故。其后立即搶修加固，并于1974年換了新橋。例5 福萊大油柜試水時脆性斷

16、裂 英國福萊市有一個全焊接大油柜，直徑42.5m，高16.4m，側(cè)壁內(nèi)側(cè)平齊。1952年試水時完全破裂。事故經(jīng)過如下：建成后在其底部第一、二兩圈對接焊縫上取樣檢驗試驗合格，然后將此缺口妥善焊補。當(dāng)柜內(nèi)加滿水時，該缺口補焊處出現(xiàn)垂直裂縫，向上延伸380mm，向下延伸230mm，于是立刻放水，并在裂縫上下兩端處各鉆一小孔，24h后，對此裂縫部位全部割除并重新補焊，經(jīng)12d后再加水試驗，當(dāng)水頭開到14.5m時該鋼柜即刻爆炸，此時氣溫4.5，裂縫仍在補焊處。最后，該側(cè)壁整個倒下，攤平在地上。例6 中國內(nèi)蒙古廢蜜儲罐爆裂 1989年1月，內(nèi)蒙古某糖廠竣工后使用不久的廢蜜儲罐在氣溫-11 .9時發(fā)生爆裂事

17、故。該罐直徑20m，高15 .76m，罐身共上下10層，由618mm鋼板焊成，容量5600t，當(dāng)時實貯4300t，應(yīng)力尚低。破壞時整個罐體炸裂為五大部分，其中上部7層和蓋帽甩出后將相距25.3m處糖庫的西墻及西南角墻(連續(xù)約長27m范圍)砸倒，廢蜜罐沖擊力將相距4m處的6.5m6.5m 兩層廢蜜泵房夷為平地，樓板等被推出原址約21.4m。事后調(diào)查該起事故也是由于一些焊縫嚴(yán)重未焊透和質(zhì)量差引起裂紋擴展，導(dǎo)致突發(fā)低溫脆斷。例7 美國一批自由輪脆斷沉沒 40年代初期美國一批焊接船舶發(fā)生典型的脆性破壞。1943年1月一艘油輪在船塢突然斷成兩截，當(dāng)時氣溫為-5。船上僅有試航的載重，內(nèi)力約為最大的設(shè)計內(nèi)力

18、的一半。在以后10年中，又有200多艘在第二次世界大戰(zhàn)期間建造的焊接船舶破壞。 據(jù)記載，在此期間美國建造了約2500艘自由輪、400艘勝利輪以及約500艘T-2油船，它們均為全焊接船。戰(zhàn)爭期間由于焊工缺乏造成焊接質(zhì)量低劣，再加上船殼甲板采用方角艙口形成缺口影響，因此在運行過程中遇到-5+5時不少船只都一裂為二，沉人海底。自從9艘T-2和7艘自由輪相繼一裂為二沉人海底，引起了全世界的震動和關(guān)注；其大多是在服役的第一年中發(fā)生，并且在遠(yuǎn)洋和寒冷氣溫中航行的船只的損失數(shù)約高出5倍。因此，沖擊應(yīng)力和低溫氣候也是促使焊接船只斷裂的主要因素。例8 中國吉林液化氣球罐爆裂 1979年12月，我國吉林發(fā)生5個直徑9 m，鋼板厚15mm，于1977年制造并使用的大氣壓液化氣球罐爆炸事故。由于對接焊縫局部未焊透，使用近3年后裂紋逐漸擴展， 在-20時發(fā)生低溫脆斷。事后檢驗，鋼材含碳量為0 .230.4，含硫量為0.040.116，屈服強度為