鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故

鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂事故第一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.1脆性斷裂概念鋼材是一種彈塑性材料，在一定條件下會(huì)發(fā)生脆性斷裂，特征如下：破壞時(shí)的應(yīng)力常小于鋼材的屈服強(qiáng)度；破壞之前沒(méi)有顯著變形，吸收能量很小，破壞突然發(fā)生，無(wú)事故先兆；斷口平齊光亮。第二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.2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(chēng)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(shí),

易發(fā)生脆斷;鋼板厚度鋼板越厚,脆性破壞傾向越大。第三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

1.材質(zhì)缺陷當(dāng)鋼材中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素的含量過(guò)高時(shí)，將會(huì)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。第四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

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(chēng)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(chēng)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(hào)的二維或三維應(yīng)力場(chǎng)，使材料不易進(jìn)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(shí)脆性斷裂的危險(xiǎn)性也愈大。第五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二鋼結(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)：(1)在鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(jì)，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：①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；②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(kāi)裂；③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(shí)，材料塑性變形很難發(fā)展，脆性增大；④焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體，一旦裂縫開(kāi)展，就可能一裂到底，不像鉚接或螺栓連接，裂縫一遇螺孔，裂縫就會(huì)終止。第六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

3.使用環(huán)境

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)受到較大的動(dòng)載作用或者處于較低的環(huán)境溫度下工作時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的可能性增大。眾所周知，溫度對(duì)鋼材的性能有顯著影響。在0℃以上，當(dāng)溫度升高時(shí)，鋼材的強(qiáng)度及彈性模量均有變化，一般是強(qiáng)度降低，塑性增大。溫度在200℃以內(nèi)時(shí)，鋼材的性能沒(méi)有多大變化。但在250℃左右時(shí)鋼材的抗拉強(qiáng)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(shí)進(jìn)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(qiáng)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(shí)．鋼材的沖擊韌性值急劇下降，出現(xiàn)低溫脆斷。通常把鋼結(jié)構(gòu)在低溫下的脆性破壞稱(chēng)為“低溫冷脆”現(xiàn)象，產(chǎn)生的裂紋稱(chēng)為“冷裂紋”。因此，在低溫下工作的鋼結(jié)構(gòu)，特別是受動(dòng)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。第七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

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(shì)。鋼板厚度對(duì)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?wèn)題應(yīng)引起高度重視。

第八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二綜上所述，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(jì)時(shí)通常不考慮其影響。但在動(dòng)載作用下，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。第九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.3脆性斷裂的機(jī)理分析

斷裂力學(xué)認(rèn)為，解答脆性斷裂問(wèn)題必須從結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在微小裂紋的情況出發(fā)進(jìn)行分析。斷裂是在侵蝕性環(huán)境作用下，裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)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(chǎng)作用狀況和水平以及鋼材的斷裂韌性是脆斷的主要因素。第十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.3脆性斷裂的防止措施

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以鋼材屈服強(qiáng)度作為靜力強(qiáng)度的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)合理制作和安裝合理使用及維修措施第十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二合理選擇鋼材

鋼材的選用原則是既保證結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)又要經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(jìn)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(guó)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》已參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將Q235鋼分為A、B、C、D四級(jí)，其中，A級(jí)：不要求沖擊試驗(yàn)；B級(jí)：要求+20℃沖擊試驗(yàn)；C級(jí)：要求0℃沖擊試驗(yàn)；D級(jí)：要求-20℃沖擊試驗(yàn)。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)至少應(yīng)選用Q235B。第十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.合理設(shè)計(jì)合理的設(shè)計(jì)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)造細(xì)節(jié)十分重要。設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(xiǎn)；接頭或節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)應(yīng)比其相連的桿件強(qiáng)20％～50％；構(gòu)件斷面在滿足強(qiáng)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(jī)，尤其是設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)避免重疊交叉和焊縫集中。第十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二3.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(lèi)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。第十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二4.合理使用及維修措施鋼結(jié)構(gòu)在使用時(shí)應(yīng)力求滿足設(shè)計(jì)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。第十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二5.5典型事故實(shí)例分析鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故在鉚接時(shí)期已有所發(fā)生，直到焊接時(shí)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(tái)以及工業(yè)廠房等領(lǐng)域，下面列舉了幾個(gè)典型事例。第十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二例1美國(guó)紐約鉚接鋼水塔脆性斷裂1886年10月，美國(guó)紐約州長(zhǎng)島的格拉凡森一個(gè)大的鉚接立柱式鋼水塔，在一次靜承壓力驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)中，水塔下邊25.4mm的厚板突然沿6.1m長(zhǎng)的豎向裂縫裂開(kāi)，裂開(kāi)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。第十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二例2屋蓋因低溫冷脆而倒塌1.工程及事故概況前蘇聯(lián)某有色金屬?gòu)S平爐車(chē)間的鋼結(jié)構(gòu)除吊車(chē)梁為鉚接外，均為焊接結(jié)構(gòu)。該車(chē)間澆筑跨22m，爐子跨27.5m，配料跨18m。

第十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二事故發(fā)生時(shí)首先塌落的是B列第86～90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(tái)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86—90行的屋架、鋼筋混凝土屋面板以及墻板全部倒塌。第十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二平爐車(chē)間結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)，室外氣溫為-26℃，風(fēng)速為7m/s，倒塌地點(diǎn)屋面積雪厚度0～8cm，原料跨屋面積雪層厚度在35cm以內(nèi)，平爐廠房屋面實(shí)際上沒(méi)有積灰(出事前數(shù)天已清掃了屋面積灰)。8號(hào)平爐區(qū)的橋式吊車(chē)在出事時(shí)位于爐子跨，在澆注吊車(chē)上吊著空罐。第二十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二2.事故原因分析事故原因調(diào)查最初的結(jié)論是：由于實(shí)際施工中，90行柱沒(méi)有放置技術(shù)設(shè)計(jì)圖中規(guī)定的支托板，導(dǎo)致平爐車(chē)間主廠房B列第84～90行托架下弦支座節(jié)點(diǎn)螺栓剪切破壞，造成屋蓋結(jié)構(gòu)部分倒塌。經(jīng)過(guò)進(jìn)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(diǎn)：第二十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二(1)托架的螺栓已錨固很長(zhǎng)時(shí)間(超過(guò)5年)，在此期間，托架上的荷載顯然可能有多次超過(guò)事發(fā)時(shí)的荷載。正如前所述，在出事前數(shù)日剛清掃完車(chē)間屋面的灰塵，發(fā)生事故時(shí)車(chē)間屋面的雪荷載相當(dāng)小，且小于設(shè)計(jì)荷載。第二十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二(2)進(jìn)行了檢驗(yàn)?zāi)M屋架錨固連接的承載能力試驗(yàn)，采用6個(gè)直徑為20mm的螺?。菟ㄟB接在53tf時(shí)破壞，相當(dāng)于10個(gè)螺栓的破壞荷載為88tf左右，超過(guò)出事時(shí)實(shí)際菏載的12％第二十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二(3)在螺栓剪斷和隨后屋架倒塌的情況下，在三個(gè)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(gè)螺栓錨固在柱子上，此處彎矩最大。但上弦桿破壞時(shí)，其彎矩較最大值小30％，這種破壞起源于脆性，桿件沒(méi)有任何變形。第二十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二(4)事故發(fā)生時(shí)氣溫很低，為-26℃，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。這是自平爐車(chē)間施工以來(lái)任何一個(gè)冬季所未曾出現(xiàn)過(guò)的低溫。(5)下弦節(jié)點(diǎn)的工作應(yīng)力相當(dāng)高，平均為780kgf/cm2；節(jié)點(diǎn)板邊緣應(yīng)力為1280kgf/cm2。(6)斷裂桿件和下弦節(jié)點(diǎn)連接件在負(fù)溫下金屬的沖擊韌性低，低到0.64kgf/cm2。第二十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

同時(shí)發(fā)現(xiàn)證實(shí)下弦提前斷裂的事實(shí)：(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(shí)螺栓孔邊緣沒(méi)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。第二十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

(3)兩端支座墊板向下彎曲，在86行一端彎起16～18mm，在90行一端一個(gè)方向彎起62mm，彎曲角度事實(shí)上是反映了托架墜落在工作場(chǎng)地支座板阻撓其移動(dòng)的程度。在螺栓剪斷(下弦無(wú)斷裂)后，屋架下墜時(shí)在90行處屋架端即支座墊板應(yīng)該是平的。第二十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二

(4)90行柱節(jié)點(diǎn)金屬被端部支座墊板下部邊緣擦傷。擦傷表明了端部支座墊板的移動(dòng)對(duì)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(gè)屋架墜落時(shí)支座墊板對(duì)柱子腹板的擠壓是不可能發(fā)生的。第二十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二在下弦斷裂后，托架將不可避免地下沉．必然產(chǎn)生托架支座節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(méi)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(chē)間屋蓋的破壞，托架可像三鉸拱一樣工作而不墜落。第二十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二例3比利時(shí)阿爾貝特運(yùn)河上多座鋼橋脆性斷裂

第二次世界大戰(zhàn)前夕，在比利時(shí)的阿爾貝特(Alben)運(yùn)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(shí)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(diǎn)：應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力、低溫和沖擊韌性值太小。第三十頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二例4遼陽(yáng)太子河橋脆性斷裂我國(guó)遼陽(yáng)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(guò)了10次列車(chē)而未發(fā)生事故。其后立即搶修加固，并于1974年換了新橋。第三十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，編輯于2023年，星期二例5