钢结构脆性破坏浅析_苏益声

第28卷第3期2003年9月广西大学学报(自然科学版) Jour nal of G uangx i U niv er sity (N at Sci Ed) V ol. 28, N o. 3　Sept. , 2003　

文章编号:1001-7445(2003) 03-0254-04钢结构脆性破坏浅析苏益声, 许安邦, 陈宗平

(广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁530004)

摘要:结合工程事故, 分析了钢结构脆性破坏的形式特征、影响因素, 并针对工程实际中存在的隐患, 提出防止钢结构脆性破坏的措施.

关键词:钢结构; 脆性破坏; 影响因素; 预防措施

中图分类号:T U 391　　　文献标识码:A

上世纪九十年代以来, 我国钢结构逐渐蓬勃发展起来, 特别是轻型钢结构的发展更是如火如荼. 钢结构因其自身的优越性, 越来越受到工程师和用户的青睐. 但在推广应用的同时, 我们必须对钢结构的脆性破坏及其影响因素有足够的认识. 钢结构的发展史, 是伴随着人们对其脆性破坏的不断认识而逐步发展起来的. 文献[1]表明, 钢结构破坏事故中, 脆性破坏占了将近75%.今天, 虽然材料性能大大提高, 设计计算方法以及施工技术得到不断发展完善, 但由于高强钢材的利用, 大跨度和高层结构的不断发展, 加上设计和施工中存在的不安全隐患, 使得钢结构脆性破坏问题显得尤其突出.

工程隐患

根据笔者对部分地区的调查及国内一些资料显示, 目前钢结构设计、施工、安装过程中存在有如下隐患:设计方面, 部分中小工程不是由具有相应资质的设计单位设计, 有的甚至是由非专业人员“设计”的, 文献[4]显示, 像这样的工程85%发生了事故;

有些具有资质的设计单位缺乏钢结构设计人员, 或者对钢结构理论及设计生疏, 不熟悉具体的施工操作过程, 设计不合理导致施工困难, 留下隐患; 网架结构的计算模型较准确, 各构件经常在接近极限状态下工作, 因此对超载很敏感.

施工方面, 调查发现有部分中小工程的施工单位并不具备钢结构施工资质; 施工现场管理混乱, 没有严格的质量管理体系、质量控制及检验制度. 钢结构中大多部位一般采用焊缝进行连接, 焊接质量直接影响到结构的安全, 因此对焊工要求经过培训, 执证上岗. 但具体操作中, 无证焊工仍占一定比例. 对在建工程的调查中常发现的有夹渣、气孔、咬边、弧坑裂纹、未焊满、根部收缩、未焊透或母材未熔等缺陷, 这样的构件内必然存在较大的残余应力和较严重的应力集中, 或者强度不足. 另外, 一些小工程对进场材料没有经过检验, 材料质量没有保证.

使用方面, 经常出现使用不适当的情况. 如擅自改变建筑物用途, 或经常超载, 或不经验算就加层或加厚屋盖, 或对易腐蚀部位没有油漆防护等. 这些隐患都是可以引发钢结构脆性破坏事故.

脆性破坏的特征、影响因素以及防止

钢结构的脆性破坏形式主要有三种:失稳破坏, 脆断破坏, 疲劳破坏. 其总体特征是对缺陷非常敏感, 破坏发生很突然, 之前没有明显的塑性变形, 破坏时构件的应力低于材料的屈服强度, 带来的损失也十分惊人.

1　失稳破坏

1. 1　失稳破坏的特征

收稿日期:200304:.

第3期苏益声等:钢结构脆性破坏浅析255　　结构的稳定性是钢结构的一个突出问题. 失稳破坏是指结构受压稳定性不足, 突然产生过大变形失去承载力而导致的破坏, 但失稳破坏前只有很小的变形, 发生突然, 呈明显的脆性破坏特征. 在确定构件的稳定承载力时, 并不是使结构或构件的应力低于某一规定的应力, 而是要防止一种特殊的不稳定平衡状态的发生. 这种状态的特征是, 当荷载有微小的增加时, 应力和应变不成比例, 且应变显著增长, 而增长量无法确定. 这种内部抗力的突然崩溃就是失稳现象的特征, 不管在破坏瞬间截面应力是否已超弹性极限. 根据文献[1], 国外有人做过统计, 在1951年到1975年所发生的191起钢结构破坏事故中, 稳定作为主导因素的占56%.因此, 稳定性是钢结构设计中的关键问题.

1. 2　失稳破坏的影响因素

钢结构的设计计算模型一般认为各构件都是理想杆件. 这跟实际是存在较大差距的. 例如, 网架和桁架结构的计算模型其节点都是理想球铰, 但实际的接头是具有一定刚度的, 即各杆件并非轴心受压, 而是同时承受一定的弯矩的. 各杆件一般都是薄壁圆管, 这类杆件的稳定问题受缺陷的影响很大.

钢结构构件由于其制作、运输、安装等过程的原因, 不可避免的存在着初弯曲、初偏心、残余应力和残余变形, 这些缺陷致使钢结构构件的实际稳定承载力低于其作为理想构件的临界承载力, 而当实际的稳定承载力又低于强度极限承载力时, 结构和构件的承载力就由稳定承载力控制.

有初弯曲的压杆一经加荷就产生挠曲变形, 最初挠度增加较慢, 当荷载接近欧拉临界力时, 挠度无限大, 实际上破坏就发生了. 而初弯曲越大, 其受荷后挠度增加就越快, 承载力降低越多. 初偏心的影响跟初弯曲的影响是很类似的.

钢材在热轧、焊接和切割的过程中, 由于各部分受热不均匀, 冷却收缩时, 截面上将会产生残余应力( r ). 应该明确, 残余应力对构件的静力强度没有影响, 但残余应力会降低构件的稳定承载力.

1. 3　失稳破坏的防止

1907年加拿大一座大桥在施工中破坏, 9000t 钢结构全部坠入河中, 破坏是由于悬臂的受压下弦杆失稳造成的. 1987年某通讯工程网架塌落是由于受压腹杆失稳引起, 其后整个网架迅速失稳而塌落. 1992年某铸造厂一榀屋架突然失稳, 下沉倾斜, 破坏缘于屋架一端的第一斜压杆压屈失稳.

这些工程实例反映出失稳破坏的有设计方面的原因, 也有施工和使用方面的原因.

[8]在设计方面, 以下几点对于设计人员是应该引起重视的:(1) 对于整个结构体系及其组成部分的

稳定以及它们之间的关系要有充分的认识, 不仅单个的构件或平面体系要满足稳定要求, 更要充分考虑这些构件或平面体系在平面外的稳定. 目前钢结构中相当部分是按平面体系来设计的. 如框架、桁架等. 保证这些平面结构在平面外的稳定, 就需要通过整体布置来解决. 即设置必要的支撑构件. 因此, 绝不可忽视支撑体系的作用. (2) 杆件稳定计算的常用方法, 往往是依据一定简化假设得出的. 因此, 设计者应清楚认识所用计算方法的前提假设和具体计算对象应该相一致. (3) 设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合, 使二者有一致性.

降低构件稳定性的主要影响因素包括初弯曲、初偏心、残余应力和残余变形. 可见要防止失稳破坏, 除了要有合理的设计之外, 还要在施工时采取相应措施. 要有合理的施工方法和程序, 如对于较复杂的焊接结构, 采用合理焊缝次序, 对于减少焊接残余应力和残余变形是很有效的. 另外, 在施工中应尽可能使支座实际情况与设计计算相符合.

2　脆性断裂

2. 1　脆性断裂的特征

脆性断裂是由于结构内部存在的不同类型和不同形式的裂纹, 在荷载和恶劣环境的作用下, 裂纹扩展到临界尺寸时发生的, 其断裂面粗糙, 呈金属原色. 破坏是突发性的, 其本质是裂纹处存在尖锐的应力集中. 历史上脆性断裂事故大部分发生在低温环境下的焊接结构中.

2. 2　脆性断裂的影响因素关于脆性断裂的影响因素, 详细可参考文献[2]. 在此只做简单论述.

256广西大学学报(自然科学版) 第28卷　应力集中处钢材处于双向或三向拉应力状态, 此时钢材的塑性变形能力很低, 容易发生脆性断裂.

碳是使钢材具有足够强度的主要元素, 但随着含碳量的提高, 钢的塑性和韧性下降, 可焊性和抗锈蚀性能也变差; 硫和氧是使钢材产生热脆的有害元素, 而磷、氮含量过多易使钢材产生冷脆. 热脆的钢材在焊缝附近会产生裂纹, 冷脆的钢材随温度的降低其塑性、韧性也降低. 因此有害元素含量过多使钢材在不利的受力条件下都倾向于发生脆性断裂.

钢材厚度对脆性断裂有显著的影响. 越厚的钢材其内部缺陷越多, 韧性越差. 多次辊轧可减少钢材的内部裂纹, 改善钢材的韧性, 即越薄的钢材其塑性性能越好.

焊接是在局部输入大量的热能使母材和焊条材料熔合, 冷却后可共同工作的温度剧烈变化的过程, 因此在热影响区和焊缝处材料韧性和塑性都比较差, 而且还有残余应力, 如操作不当还会有焊接缺陷. 因此焊接部位常常是脆性断裂的起源.

结构比过去复杂, 有的使用条件恶劣, 有的荷载很大, 设计时采用更精细的计算方法并采用材料的非弹性性能以尽量降低造价, 致使结构的实际安全储备比过去有所降低. 这些因素综合在一起, 发生脆性断裂的概率就会提高.

2. 3　脆性断裂的防止

设计上, 首先要合理地选择材料, 特别是承受动力荷载或低温下工作的钢结构构件, 就不应选用沸腾钢; 其次, 各构件上应避免尖锐突变和开口, 避免多条焊缝交汇, 因为此处往往是三向应力产生的位置; 再次, 设计时应考虑施工工艺, 为施工留有适当的工作面. 因为有的焊接缺陷是由于工作面窄, 造成施工困难而留下的. 另外, 当结构处于复杂的环境条件下工作时, 设计可考虑遵循“避免单路径, 采用多路径”的原则, 即不用静定结构, 而用超静定结构, 以提高结构的安全储备.

在施工上, 要求操作人员熟练掌握焊接技术并严格遵守施工工艺, 尽量减少气孔、夹渣, 并应杜绝未焊透和母材未熔合的现象. 焊接后应轻敲构件以释放部分残余应力, 必要时焊接前进行预热, 焊接后进行热处理.

在使用上, 要求使用者不能在主要构件上任意焊接附件或作为受力支承, 必须时要经设计同意; 尽量避免超载, 要注意定期油漆防护, 及时检修, 避免对结构的猛烈敲打、撞击和机械损伤; 当气温低于结构的设计工作温度时, 应对结构进行保暖.

关于脆性断裂的发生, 目前研究已形成共识的是, 事故大部分发生在焊接结构中, 且破坏时气温较低. 因此, 对这类结构的合理设计和施工必须引起足够的重视.

3　疲劳破坏

3. 1　疲劳破坏的特征

钢结构疲劳破坏是结构内的裂纹在重复荷载或交变荷载作用下的不断开展以至最后达到临界尺寸而出现的突然性断裂. 与一般的脆性断裂不同的是, 疲劳破坏一般从裂纹缓慢开展到最后迅速断裂, 期间可经历长期的荷载循环, 裂缝扩展缓慢, 断裂面扩展区由于两边反复的张合撞击而变得光滑, 拉断区为颗粒状断口. 虽然破坏历时较长, 但最后的破坏是具突然性的, 因此属于脆性破坏.

3. 2　疲劳破坏的影响因素

应力幅是影响疲劳强度的重要因素. 应力幅和荷载循环次数(疲劳寿命) 在对数坐标系中呈线性关系, 即对应于较低的应力幅 =( max - min ) , 疲劳寿命n 较大, 反之较小.

应力集中对疲劳也有很大的影响. 图1是文献[8]给出 ～n 的两条不同曲线:光滑试件的疲劳强度明显高于带槽试件, 这是因为带槽试件的应力集中使疲劳强度降低. 在应力集中处, 材料变形受到限制, 交变应力的作用下, 微观裂纹逐渐发展成宏观裂纹以至裂缝, 当循环荷载达到一定次数时, 不断削弱的危险截面就发生脆性断裂.

在腐蚀性介质作用下, 构件的小裂纹会随时间而扩展, 显然, 这种作用也会损害构件的疲劳寿命. 图

[8]2表明在交变应力作用下腐蚀性介质对疲劳寿命的影响. 由图看出, 腐蚀对长寿命的疲劳的影响要比,

第3期苏益声等:钢结构脆性破坏浅析257

　　　　　　　　　　　

图1　 n 曲线　　　　　　　　　　图2　环境对疲劳寿命的影响

3. 3　疲劳破坏的防止

降低应力集中程度. 减少刻痕及缺口等机械损伤, 截面突变处尽量使其平缓, 避免尖锐凹角的存在; 合理设计焊缝, 如采用对接焊缝而避免角焊缝; 对不合格的焊缝表面进行处理(如打磨) , 以改善焊脚的外形, 消除焊缝表面已有的裂纹缺陷, 或减小其尺寸.

应力幅越小, 疲劳寿命越长. 因此设计时应保证钢材的允许应力幅大于设计应力幅, 而使用中应尽量避免超载, 将应力幅控制在允许应力幅范围内.

钢材容易被腐蚀, 应做好防腐措施. 即使在一般的空气环境中, 也应进行常规的油漆维护. 而在潮湿环境或有腐蚀性气体的工厂车间, 以及海洋结构中的钢结构, 更应有妥善的防护措施, 做定期的检修维护, 对已经出现的裂纹裂缝要早处理, 防止其进一步的发展.

4　结　语

随着经济的发展和技术的进步, 钢材的质量、数量都有很大的提高. 钢结构由于其独特的优越性, 在工程中的应用越来越广泛. 同时, 由于设计、施工、使用等方面的原因, 使钢结构工程存在着脆性破坏的隐患. 一旦发生, 损失巨大. 本文通过工程事例, 对脆性破坏做一简要分析, 旨在引起工程界对钢结构脆性破坏的认识和重视.

参考文献:

[1]　王元清. 钢结构脆性破坏事故分析[J]. 工业建筑, 1998, 28(5) :.

[2]　刘　渠. 钢结构脆性断裂对工程危害及防治[J].低温建筑技术, 1999, (1) .

[3]　唐继舜, 钱冬生. 关于钢结构疲劳破坏问题当代水平简述[J]. 钢结构, 1993, 14(3) :45.

[4]　冶金部建筑研究总院. 建筑工程常见病多发病防治[M ]. 郑州:河南科技出版社, 1998.

[5]　王　赫主编. 建筑工程事故处理手册(第二版) [M ]. 中国建筑工业出版社, 1998.

[6]　冶金部建筑研究总院. 建筑工程事故分析及处理实例应用手册[M ]. 北京:中国建筑工业出版社, 1995.

[7]　王元清. 钢结构在低温下脆性破坏的研究[J].低温建筑技术, 1998, (2) .

[8]　陈绍蕃. 钢结构设计原理(第二版) [M ].北京:科学技术出版社, 1998.

An analysis of steel construction brittle fracture

SU Yi -sheng , XU An -bang , CHEN Zong -ping

(Co llege o f Civil and A rchitechtura l Engineer ing , G uang x i U niv ersit y, N anning 530004, China )

Abstract :In the light o f som e incidents in real project , the paper analyses the style , the character and the affect factors of the steel construction brittle fr actur e. T hen in connectio n w ith the potential dangerous in real project, it puts forw ards som e preventive m easures fo r the steel construction brittle fr actur e.

Key words :steel constr uction; br ittle fracture; affect facto rs; prev ention measures

(责任编辑　张晓云)