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钢构工程发生脆性断裂事故的原因总结

钢构工程发生脆性断裂事故的原因总结


虽然钢结构的塑性很好,但仍然会发生脆性断裂,这是由于各种不利因素的综合影响或作用的结果。主要原因可归纳为以下几方面:

1、材质缺陷

当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时。将会严重降低其塑性和韧性,脆性则相应增大。通常,碳导致可焊性差;磷、氧导致“热脆”;磷、氮导致“冷脆”;氢导致“氢脆”。另外钢材的冶金缺陷,如偏析、非金属夹杂、裂纹以及分层等也将大大降低钢材抗脆性断裂的能力。

2、应力集中

钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等不可避免,在荷载作用下。这些部位将产生局部高峰应力,而其余部位应力较低且分布不均匀的现象称为应力集中。我们通常把截面高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数。以表明应力集中的严重程度。

当钢材在某一局部出现应力集中,则出现了同号的二维或三维应力场使材料不易进人塑性状态,从而导致脆性破坏。应力集中越严重、钢材的塑性降低愈多,同时脆性断裂的危险性也愈大。钢结构或构件的应力集中主要与其构造细节有关。

(1)在钢构件的设计和制作中,孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变等缺陷在所难免。

(2)焊接作为钢结构的主要连接方法,虽有众多的优点,但不利的是焊缝缺陷以及残余应力的存在往往成为应力集中源。据资料统计,焊接结构脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓连接结构。主要有以下原因:

①焊缝或多或少存在一些缺陷,如裂纹、夹渣、气孔,咬肉等这些缺陷将成为断裂源;

②焊接后结构内部存在的残余应力又分为残余拉应力和残余压应力,前者与其他因素组合作用可能导致开裂;

③焊接纳构的连接往往刚性较大,当出现多焊缝汇交时,材料塑性变形很难发展,脆性增大;

④焊接使结构形成连续的整体,一旦裂缝开展,就可能一裂到底。不像铆接或螺栓连接,裂缝一遇螺孔,裂縫就会终止。

3、使用环境

当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时,钢结构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影响。在0℃以上,当温升高时,钢材的强度及弹性模量均有变化,一般是强度降低,塑性增大。温度在200℃以内吋,钢材的性能没有多大变化。但在250℃左右时钢材的抗拉强度反弹,屈服强度有较大提高,而塑性和冲击韧性下降出现所谓的“蓝脆现象”,此时进行热加工钢材易发生裂纹。当温度达600℃,屈服强度及弹性模量均接近于零,我们认为钢结构几乎完全丧失承载力。

当温度在0℃以下,随温度降低,钢材强度略有提高。而塑性和韧性降低、脆性增大。尤其是当温度下降到某一温度区间时, 钢材的冲击韧性值急据下降、出现低温脆断。通常又把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆“现象,产生的裂纹称为“冷裂纹”。因此,在低温下工作的钢结构,特别是受动力荷载作用的钢结构,钢材应具有负温冲击韧性的合格保证,以提高抗低温跪断的能力。

4、钢板厚度

随着钢结构向大型化发展,尤其是高层结构的兴起,构件钢板的厚度大有增加的趋势。钢板厚度对脆性断裂有较大影响,通常钢板越厚,脆性破坏倾向愈大。“层状撕裂”问题应引起高度重视。

综上所述:材质缺陷、应力集中、使用环境以及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。在此值得一提的是,应力集中一股不影响钢结构的静力极限承载力。在设计时通常不考虑其影响。但在动载作用下,严重的应力集中加上材质缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。

 


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