关于钢结构脆性破坏的认识与分析

磨恬静

（广西安全工程职业技术学院，广西 南宁 530100）

随着我国房地产建筑业的发展，传统的钢筋混凝土结构不再占据垄断地位，各种新型建筑结构体系蓬勃发展，其中以钢结构尤为引人关注。钢结构是将各式型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件通过焊缝、螺栓或铆钉连接组合而成的结构形式。一方面，因其具有强度高，塑性、韧性好、质量轻、材质均匀、施工期短、抗震性和密闭性好、建筑表现力丰富等优点，在厂房、场馆、超高层以及大跨度结构中应用广泛。钢结构学科发展也因此得到有力推动，成为结构工程中最具有活力的研究方向。另一方面，钢结构自身无法避免的缺点和局限性也不容忽视，如耐腐蚀性差、易锈蚀、不耐火、造价高等，尤其是钢结构具有低温冷脆倾向，在低温腐蚀环境、内部裂纹、外部缺陷等其他条件下，极可能发生毫无征兆的脆性破坏，引发重大安全事故，造成严重后果。

根据相关文献统计，钢结构的破坏事故中，由脆性破坏引发导致的占将近75%，例如，1886 年美国纽约州钢立柱水塔开裂事故，1951 年加拿大魁北克杜佩利西斯全焊接钢板梁大桥断毁事故，第二次世界大战期间发生的多起焊接油船的脆性破坏事故，以及解放后我国开发某油田时钢钻杆的脆断事故等。整个钢结构的发展史，几乎就是人类对其脆性破坏的认识研究史。随着科学技术的不断发展，钢材的材料性能有了极大的提高，钢结构的设计计算和施工技术也在不断完善，但由于新型高强钢材不断投入使用，大跨度和超高层结构的快速发展，设计、施工和使用中存在的多种安全隐患，以及焊接结构逐渐取代铆接结构，使得钢结构的脆性破坏问题在当下尤为突出，需要我们对其有足够认识，以对症下药，防患于未然。

1 钢结构脆性破坏的特征和类型

钢结构有塑性和脆性两种完全不同的破坏形式。其中，脆性破坏（断裂）是结构或构件在破坏前几乎不发生塑性变形，宏观表现为断裂时伸长量极其微小，破坏应力低于极限承载力的一种破坏形式。钢结构发生脆性破坏时，钢材晶格之间的剪切滑移受到限制，使塑性变形无法发生。钢材晶格被拉断后，其断裂面粗糙，呈金属原色，断口平直有光泽，有少量剪切断裂形成的唇口，微观下能看到明显的人字纹或放射线纹。一般情况下，处于脆性状态中的材料，其裂纹起纹时，只需从拉应力场中释放出的弹性能驱动就能迅速扩展，而不需要外力再做功。可见，结构内部存在不同类型和不同形式的裂纹，在荷载和恶劣环境的外因作用下，裂纹扩展到临界尺寸，且裂纹处存在尖锐的应力集中，是为脆性破坏的根本原因。因此，脆断应力可能低于钢材的屈服点，且断裂从应力集中处开始。此外，发生脆性破坏的钢材构件，一般都厚度过大或含有大量非金属杂质，存在孔洞、缺口和截面突变等缺陷，设计、施工和冶金技术可能存在隐患，且大部分断裂事故都发生在低温恶劣环境下的焊接结构中。脆性破坏发生概率较大，且往往没有明显征兆，事先难以察觉补救，因此非常危险，危害严重，要极力避免。

根据其破坏因素，钢结构的脆性破坏通常可分为以下几类：（1）过载断裂。即由于结构所承受荷载过大，致使危险截面处因强度不足而导致的断裂，一般常见于钢丝绳、钢绞线和高强钢丝等脆性材料构件处；（2）非过载断裂。塑性好的钢材构件若内部存在裂纹，在缺陷、低温等内外因素共同影响下突然呈现的脆性断裂；（3）应力腐蚀断裂。钢结构在腐蚀性环境中受到静力或准静力荷载作用时，由于腐蚀作用和非过载断裂的综合作用而导致的断裂破坏，其计算应力远低于屈服极限的应力状态；（4）疲劳断裂。钢构件在经历长时间的交变荷载循环作用后，内部裂纹达到临界状态而突然断裂的现象；（5）氢脆断裂。钢材冶炼过程中溶解了一定量的氢，若钢液冷却时间不够，内部大部分的氢未能溢出，在使用过程中的静荷载作用下出现塑性显著下降，脆性急剧增加的现象。

2 钢结构发生脆性破坏的因素

2.1 材料的因素

2.1.1 裂纹

钢材内部存在的各类微小裂纹是造成脆性断裂的主要原因。尖锐裂纹处往往伴有高度应力集中，随着应力的增加，裂纹在应力场弹性势能的作用下稳定扩展到临界状态，继而发生失稳断裂。由于一般钢结构所用钢材的强度较低，但韧性较好，受拉断裂时的屈服强度较大，因此相较弹性断裂力学原理，应用弹塑性断裂力学公式来计算低应力脆断问题更符合工程实际。该式左端为裂纹顶端张开位移，右端则为位移的临界值，是可通过试验确定的材料固有属性。根据裂纹张开理论（COD 理论），当该式满足时，构件即开裂。

2.1.2 应力

除了存在内部裂纹，构件在加工、安装和使用过程中还可能产生缺口、孔洞、尖锐凹槽和截面突变等外部缺陷。这些缺陷部位在构件处于受力状态时通常会出现严重的应力集中。值得注意的是，钢构件脆性断裂应力应是构件的实际应力，要同时考虑残余应力等因素。应力集中使钢材局部内力增高，在应力高峰处，还会出现双向或三向同号应力状态，降低钢材的塑性能力，容易造成脆性断裂。

2.1.3 韧性

韧性差的结构发生脆性断裂的可能性较大。影响钢构件韧性的因素有化学成分、冶炼方法、轧制工艺、焊接工艺，还包括钢板厚度、应力状态、工作温度和加荷速率等。其中，构件厚度对脆性断裂影响最显著。越厚的钢材，轧压次数越少，内部缺陷越多，韧性越差。

2.2 冶炼制作的因素

钢材在制作和冶炼过程中，由于技术或设备的局限性，难免会混入包括氢、硫、磷在内的非金属杂质，在钢液冷却过程中部分杂质没有去除干净，仍残留在材料内。这些杂质中的有害元素会直接影响钢材的品质，从而增加脆性破坏的风险。

2.3 安装焊接的因素

当下大部分的钢结构建筑已采用焊接结构取代铆接结构，因此焊接安装工艺格外重要。在热影响区和焊缝处，材料的韧性和塑性都比较差。如果焊接技术不合格，使钢材产生过多裂纹、欠焊、夹渣和气孔等缺陷，甚至在钢材内部产生残余应力，往往就会导致焊接部位发生脆性断裂。

2.4 设计和使用方面的因素

为了降低造价或设计者自身能力有限，在结构设计阶段没有考虑全面或设计有误，未给结构留有足够的安全储备等，都可能造成钢材发生断裂破坏。而在建筑或构件的使用过程中，使用者不按规范要求，不注意加载控制，超负荷使用，或随意设置附加连件，猛烈敲打构件，不注重对结构的日常维护，未及时检修，在低温或腐蚀性高的环境中没有对结构进行保暖和防腐处理等。这些不合理的使用方式都是造成钢结构发生脆性破坏的诱因。

3 预防钢结构发生脆性破坏的措施

3.1 计算设计方面

3.1.1 防脆断设计

建立在断裂分析基础上的防脆断设计能有效防止焊接钢结构发生脆性断裂。如果设计者精通断裂力学知识，在设计过程中，对材料的断裂韧性、最低工作温度、最大缺陷尺寸以及环境腐蚀应力严格把控，同时重视内部裂纹的危害，则可为钢结构选购材料、制定施工方案、质量验收、安全运行和检修规程提供更科学合理的依据。

3.1.2 破损安全设计

破损安全设计要求以“合乎使用”为原则，即要事先预判到钢构件在使用过程中可能出现的缺陷和裂纹，允许结构带有一定程度的损伤工作，但对这些初始裂纹和损伤必须进行严格控制，不能任其在结构检修期或使用寿命内发展到临界尺寸。破损安全设计可根据不同的断裂标准进行，具体分为K 判据法、COD 法和J 积分法等。

3.1.3 止裂设计

对于船板、飞机蒙皮、钢结构桥梁等因受外部荷载长期反复作用而产生疲劳裂纹的结构，需要考虑止裂设计。主要方法包括钻止裂孔、栓接钢板、合理布置加强焊缝和特殊加固装置等，从而使钢平板处出现小于材料止裂韧性的应力强度因子谷值。同时，还可以布置一些由碳纤维复合材料（CFRP）构成的止裂带，这不仅能避免疲劳裂纹的突然快速传播，还能有效阻止其他形式的亚临界裂纹的扩展，防止结构发生整体性的脆断。

3.1.4 应力控制设计

焊接钢结构的焊缝、热影响区、熔合线应变时效区、孔洞、缺口、尖锐凹槽和截面突变处往往因为高度应力集中或同号应力状态，从而成为脆性破坏的发源地，因此，在设计过程中要避免采用任何易造成应力集中的结构方案。要尽量避免尖锐突变和开口，避免焊缝密集和多条交汇，避免焊缝直接承受横向拉应力；应采用超静定结构，以提高结构的安全储备；尽量避免在结构主焊缝或高应力部位安装线管、支座、人梯等外加附件；当不同厚度的钢材对接时，应尽量使焊缝实现平顺、圆滑过渡。

3.2 制作安装方面

3.2.1 严格选择材料

对于焊接式钢结构，特别是在低温恶劣环境中工作，或承受复杂动力荷载的钢结构构件，应优先选用镇静钢。这是因为镇静钢夹成分纯净，气泡杂质较少，组织细密均匀，能有效避免钢材发生脆性断裂。要注意控制钢板的最大厚度，尽量使用厚度较小的材料。钢材越薄，说明轧压的次数越多，冶炼缺陷越少，发生脆性破坏的可能就越小。我国用于制作梁柱桁架的低碳钢，在工作环境大于0℃的情况下，一般选用厚度控制在50mm 左右的不预热钢板。同时，要按照相关标准及技术要求对钢材进行严格的出厂和入场复检，进一步保证产品质量。

3.2.2 注重焊接效果

钢构件的焊接质量会直接影响结构的整体质量，是保证钢结构安全性、适用性和耐久性的重要因素，因此焊接质量必须合格。当下大部分的钢结构工程，其构件多是在施工现场拼接组装的，施焊条件不确定且多变，因此应当选用技术评定良好的焊工。在施焊过程中，要求操作人员熟练掌握焊接技术并严格遵守施工规程，尽量减少咬边、气孔、夹渣和表面裂纹，杜绝未焊透及母材未与焊条材料熔合的现象。

焊接前可进行预热，焊接后应轻敲构件以释放部分残余应力并进行热处理。要对焊接接头处的应变时效脆化加以重视。所谓应变时效，即钢材经过塑性变形或预应变后产生加工硬化，在屈服强度和硬度提高的同时，塑性降低，脆性增高的现象。钢材在200 ～300℃的温度区间产生应变，其脆性会明显增大；在焊接的冷却过程中，400 ～200℃温度区间的塑性应变会产生显著的脆化。

3.2.3 保证安装质量

在钢构件安装过程中，要严格控制装配尺寸，避免强力组装及角变形、错边量等几何形状的偏差和不连续，降低局部应力集中。由于构件的成形质量直接影响安装质量，故应尽量选择型状尺寸均匀合理，符合标准要求的构件，不要过于复杂和多变。

3.3 使用维护方面

钢结构在长期使用过程中，不仅原有的裂纹会进一步扩展，还会不可避免地产生新的缺陷，增大脆性断裂的概率，因此在使用过程中要规范操作、按时维护、及时检修。使用者不能在主要构件上任意焊接附件或直接用作受力支承，尽量避免超载，若要临时设置附加连件必须征得原设计人员的同意；要注意定期对钢材作油漆防护防锈，避免结构在使用中遭受猛烈敲打、撞击和机械损伤；当气温低于结构的设计工作温度时，要对结构采取抗冻保暖措施；在腐蚀性强的环境中，要对结构进行一定的防腐处理。

4 结语

随着钢结构学科和现代工业的进步，钢材的质量和数量有了极大的提高，钢结构的应用范围也越来越广泛。钢结构的脆性破坏作为一类多发的安全事故，损失巨大，后果严重，必须认真对待，引起重视，对其破坏因素要加深认识。根据本文阐述，只要采取科学合理的预防措施，钢结构脆性破坏就得到有效的控制或避免，因此钢结构仍是结构体系中重要的组成部分，具有广阔的发展前景。