脆性断裂概念钢结构的原因及解决办法

1.脆性断裂的概念

钢结构是用钢材制成的承重结构。虽然钢材是弹塑性材料，特别是低碳钢，具有良好的塑性。但在一定条件下，由于各种因素的综合影响，钢结构也会出现脆性断裂。而且往往发生在拉应力作用下。脆性断裂是指钢材或钢结构在较低的公称应力（低于钢材的屈服强度或抗拉强度）下突然断裂而损坏。钢结构脆性断裂通常具有以下特点：

（1）破坏时的应力往往小于钢材的屈服强度，有时仅为屈服强度的0.2倍。

（2）损伤前无明显变形，吸收的能量很小，损伤发生突然，无任何前兆。

（3）断口表面平整、光亮。

脆性破坏是钢结构极限状态下最危险的破坏形式，由于脆性断裂的突然性，往往会带来灾难性的后果，因此作为钢结构专业技术人员，应高度重视脆性破坏的严重性，采取预防措施。

2、脆性断裂原因分析

虽然组织的塑性很好，但仍然会发生脆性断裂。这是各种不利因素综合影响或作用的结果。其主要原因可归纳为以下几点。

1. 材料缺陷

当钢中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素含量过高时，其塑性和韧性会严重降低，脆性也会相应增大。一般碳导致焊接性变差；磷和氧导致“热脆”；磷和氮导致“冷脆”；氢导致“氢脆”。此外，钢的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、裂纹和分层等，也会大大降低钢抵抗脆性断裂的能力。

2.应力集中

钢结构不可避免地存在孔洞、缝隙、截面突变等缺陷，在荷载作用下，这些部位会产生局部峰值应力，而其他部位应力相对较低且分布不均匀，这种现象称为应力集中。我们通常把截面峰值应力与平均应力的比值称为应力集中系数，用以表示应力集中的严重程度。

当钢材某一部位出现应力集中时，就会出现同号的二维或三维应力场，使材料难以进入塑性状态，从而导致脆性破坏。应力集中越严重，钢材的塑性越降低：同时，发生脆性断裂的危险性也越大。钢结构或构件的应力集中主要与其结构细节有关。

（1）钢构件在设计和生产中，不可避免地会出现孔洞、凹槽、凹角、缺口、裂纹及截面变化等缺陷。

（2）焊接作为钢结构的主要连接方法：它虽然具有许多优点，但其缺点是焊缝缺陷和残余应力常常成为应力集中源。据统计，焊接结构的脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓结构，主要原因有：①焊缝中存在或多或少的缺陷，如裂纹、夹渣、气孔、咬边等，这些缺陷会成为断裂源。②焊接后结构内部的残余应力分为残余拉应力和残余压应力，前者与其他因素结合可能引起开裂：③焊接纳米结构的连接往往刚性较大：多条焊缝汇合时，材料的塑性变形难以发展，脆性增加。④焊接使结构形成连续的整体，裂纹一旦发展，可能一路断裂，与铆接或螺栓连接不同，裂纹一旦遇到螺孔就会停止。

3.使用环境

当钢结构承受较大的动荷载或在较低的环境温度下工作时，钢结构发生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的影响。在0℃以上，当温度升高时，钢材的强度和弹性模量会发生变化，一般是强度下降，塑性增加。温度在200℃以内时，钢材的性能变化不大。但在2500℃左右，钢材的抗拉强度出现回升，屈服强度明显提高，塑性和冲击韧性下降：出现所谓的“蓝脆现象”，热加工钢材容易产生裂纹。当温度达到600℃时，屈服强度和弹性模量接近于零，我们认为钢结构几乎完全丧失了承载能力。

当温度低于0℃时，随着温度的降低，钢材的强度略有提高，而塑性和韧性则下降，脆性增大。特别是当温度降到一定温度范围时，钢材的冲击韧性值急剧下降，出现低温脆断。钢结构在低温下的脆性破坏通常称为“低温冷脆”现象，产生的裂纹称为“冷裂”。因此，在低温下工作的钢结构，特别是承受动载荷的钢结构，应具有合格的负温冲击韧性保证，以提高抵抗低温断裂的能力。

4.钢板厚度

随着钢结构向大型化发展，特别是高层结构的兴起，构件钢板厚度趋于增大，钢板厚度对脆性断裂影响很大，一般钢板越厚，脆性断裂倾向越大，应高度重视“层状撕裂”问题。

综上所述：材料缺陷、应力集中、使用环境、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。这里值得一提的是，应力集中并不影响钢结构的静态极限承载能力，设计时通常不考虑其影响。但在动载荷作用下，严重的应力集中加上材料缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环境等往往是脆性断裂的根本原因。

3.脆性断裂机理分析

断裂力学的出现较好地解决了钢结构的低应力脆性断裂问题，钢结构或构件内部总是存在着不同种类和程度的缺陷，如对接焊缝的端部焊缝、角焊缝的咬边、未熔合等。

这些缺陷通常可以看作是裂纹。断裂力学认为，解决脆性断裂问题必须从结构内部存在微小裂纹的角度来分析。当裂纹在侵蚀性环境作用下扩展到临界尺寸时，就会发生断裂。裂纹可大可小，特别是尖锐的裂纹，当构件受到应力时，会引起较高的应力集中。裂纹随着应力的增加而扩展，起初稳定扩展，达到临界状态后，发生不稳定扩展而断裂。

目前，断裂力学已成功应用于球罐、氧气瓶等高压容器的断裂安全性设计，但尚未直接应用于建筑结构。但断裂力学在分析脆性断裂失效机理时的一些重要概念值得钢结构专业人员借鉴。例如，微裂纹是断裂的起源；裂纹尺寸、裂纹应力场作用条件和水平、钢材的断裂韧性是脆性断裂的主要原因等。

4.脆性断裂的预防措施

钢结构设计是以钢材的屈服强度作为静强度的设计依据，无法避免结构的脆性断裂。随着现代钢结构的发展，高强度钢的大量采用，防止其脆性断裂显得十分重要。笔者认为可以从以下几个方面入手：

（1）合理选择钢材

钢材选用的原则是保证结构安全可靠的同时经济合理，节省钢材。具体应考虑结构的重要性、荷载特性、连接方式和工作环境等。特别是对在低温下承受动荷载的重要焊接结构，应选用高韧性的材料和焊条。另外，改进冶炼方法，提高钢材的断裂韧性也是减少脆性断裂的有效途径。

我国《碳素结构钢》已将Q235钢按照国际标准分为A、B、C、D四个等级。其中：A级不做冲击试验；B级做+20℃冲击试验；C级做0℃冲击试验；D级做-20℃冲击试验。还有一点要注意：对于焊接结构，至少要选用Q235B。

（2）设计合理

合理的设计应考虑材料的断裂韧性水平、最低使用温度、载荷特性、应力集中等因素。然后选择合理的结构，特别是合理的施工细节非常重要。设计时应尽量把缺陷引起的应力集中降到最低限度。尽量保证结构的几何连续性和刚度一致性。例如，将结构设计为超静力结构，采用多路径传力，可以降低脆性断裂的风险。接头或节点的承载力应设计为比连接杆强20%-50‰。构件的截面在满足强度和稳定性的前提下，应尽可能宽而薄。记住：增加构件的厚度会增加脆性断裂的风险，特别是在设计焊接结构时，应避免搭接和截面及焊缝集中。

（3）合理制作安装

在钢结构生产方面：冷热加工容易使钢材硬化、变脆；焊接特别容易产生裂纹、裂纹类缺陷及焊接残余应力；在安装方面，工艺不合理容易造成装配残余应力等缺陷，因此制定合理的生产、安装工艺，减少缺陷、减少残余应力显得十分重要。

（4）现行使用及维护措施

钢结构在使用时应尽量符合设计所规定的用途、荷载和环境，不得随意改变。此外，还应建立必要的维护措施，监测缺陷或损坏，防止其发生。

内容：（更新中）

钢结构建筑事故分析（一）材料事故

钢结构建筑事故分析（二）变形事故

钢结构建筑事故分析（三）脆性断裂事故

钢结构建筑事故分析（四）疲劳损伤事故

钢结构建筑事故分析（五）失稳事故

钢结构建筑事故分析（六）腐蚀事故

钢结构建筑事故分析（七）火灾事故