鋼結(jié)構(gòu)建筑事故分析 脆性斷裂事故

鋼結(jié)構(gòu)建筑事故分析脆性斷裂事故一、脆性斷裂概念鋼結(jié)構(gòu)是由鋼材組成的承重結(jié)構(gòu)，雖然鋼材是一種彈塑性材料．尤其是低碳鋼表現(xiàn)出良好的塑性。但在一定的條件下：由于各種因素的復(fù)合影響，鋼結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生脆性斷裂。而且往往在拉應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生。脆性斷裂是指鋼材或鋼結(jié)構(gòu)在低名義應(yīng)力（低于鋼材屈服強(qiáng)度或抗拉度）情況下發(fā)生的突然斷裂破壞。鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂通常具有以下特征（1）破壞時(shí)的應(yīng)力常小于鋼材的屈服強(qiáng)度，有時(shí)僅為屈服強(qiáng)度的0.2倍。（2）破壞之前沒有顯著變形：吸收能量很小。破壞突然發(fā)生，無事放先兆。（3）斷口平齊光亮。脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)極限狀怎中最危險(xiǎn)的破壞形式。由于脆性斷裂的突發(fā)性，往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。因此．作為鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)人員，應(yīng)該高度重視脆性破壞的嚴(yán)重性，并加以防范。二、脆性斷裂的原因分析雖然別結(jié)構(gòu)的塑性很好，但仍然會(huì)發(fā)生脆性斷裂，這是由于各種不利因素的綜臺(tái)影響或作用的結(jié)果．主要原因可歸納為以下幾方面。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(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；磷、氧導(dǎo)致?！盁岽唷?；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、截面突變夠缺陷不可避免，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)力牧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biao2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。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．前者與他因素組合作用可能導(dǎo)致開裂：③焊接納構(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．一日裂縫開展，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。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)吋：鋼材的性能沒有多大變化。但在2500℃左右時(shí)鋼材的抗拉強(qiáng)度反彈．屈服強(qiáng)度有較大提高，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℃．屈服強(qiáng)度及彈性模量均接近于零。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據(jù)下降、出現(xiàn)低溫脆斷。通常又把鋼結(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(dòng)力荷我作用的鋼結(jié)構(gòu)，鋼材應(yīng)具有負(fù)溫沖擊韌性的合格保證，以提高抗低溫跪斷的能力。4、鋼板厚度隨著鋼結(jié)構(gòu)向大型化發(fā)展，尤其是高層結(jié)構(gòu)的興起．構(gòu)件鋼板的厚度大右增加的趨勢(shì)。鋼板厚度對(duì)脆性斷裂右較大影響．通常鋼板越厚，脆性破壞傾向愈大。“層狀撕裂”問題應(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)力集中一股不影響鋼結(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。三、脆性斷裂的機(jī)理分析斷裂力學(xué)的出現(xiàn)，較好的解答子鋼結(jié)構(gòu)低應(yīng)力脆斷問題。鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的內(nèi)部總是存在不問類型和不同程度的缺陷。比如對(duì)接焊縫的末焊、角焊縫的咬邊、未熔合等。這些缺陷通常可作為裂紋看待。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(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。裂紋有大小之分，尤其是尖銳的裂紋使構(gòu)件受力時(shí)處于高度應(yīng)力集中。裂紋隨應(yīng)力的增大而擴(kuò)展，起初是穩(wěn)定的擴(kuò)展，后來達(dá)臨界狀態(tài)．出現(xiàn)失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。目前．?dāng)嗔蚜W(xué)已成功地用于球罐和氧氣瓶等高壓力容器的斷裂安全設(shè)計(jì)，尚未直接用于建筑結(jié)構(gòu)。但斷裂力學(xué)在分析脆斷破壞機(jī)理方面的一些重要概念值得鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人員借鑒。比如，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因等等。?四、脆性斷裂的防止措施鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以鋼材的屈服強(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)鋼材的大量采用。防止其脆性斷裂己顯得十分重要。筆者認(rèn)為可以從以下幾方面入手：（1）合理選擇鋼材鋼材選用的原則是既保證結(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)又要經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)約鋼材。具體而言：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．尤其是在低溫下承受動(dòng)載的重要的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇韌性高的材枓和焊條，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《碳素結(jié)構(gòu)鋼》已參照國際標(biāo)準(zhǔn)將親35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)。在比說明一點(diǎn)：對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)至少應(yīng)選用Q235B。（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、苘載特征、應(yīng)力集中等因素后．再選掙合理的結(jié)構(gòu)墼弍，尤其是合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)十分重娶。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)井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。（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