钢结构原理

钢结构脆性断裂及其防止

8.1.1 脆性断裂破坏主要特征表现为断裂时伸长量极其微小，结构的最终破坏是由于其构件的脆性断裂导致，称为脆性破坏。几乎观察不到构件的塑性发展，后果灾难性。设计领域均力求避免结构脆性破坏。

脆性断裂大致分为：过载断裂、非过载断裂、应力腐蚀断裂、疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂、氢脆断裂。过载断裂由于强度不足而导致；非过载断裂在缺陷、低温等因素影响下呈现脆性断裂；应力腐蚀断裂在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏；疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂在交变荷载作用下裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏。

历史上，钢结构的非过载脆性破坏屡有发生。破坏时应力并未达到材料的抗拉强度，甚至还低于屈服点。焊接结构大量取代铆接结构过程中，脆断发生频率一度增高，后果严重。原因有焊缝缺陷、焊接结构中的残余应力、焊缝连接对结构刚度的影响、焊缝连接的连续整体性以及选材问题等。

8.1.2 脆性断裂的防止需要从以下三个方面着手：正确选用钢材，使之具有足够的韧性K1c；尽量减小初始裂纹的尺寸，避免构造处理形成类似于裂纹的间隙；注意构造处理上缓和应力集中，以减小应力值。钢材选择中，常用冲击韧性作为材料韧性指标，提高冲击韧性的有效措施同样提高断裂韧性。设计重要低温地区露天结构时，尽量避免使用厚度大的钢板。对于低温地区的构件，应有构造细部设计与施工的规定。

对于焊接结构来说，减小初始裂纹尺寸主要是保证焊缝质量，限制和避免焊接缺陷。焊缝表面不得有裂纹，焊缝的咬边、焊瘤等都起类似于裂纹的作用。内部可能有气孔和未焊透等缺陷，可通过超声波探伤检测。

式（8-1）中的应力不仅和荷载大小有关，也和有无应力集中，是否双轴或三轴受拉，以及约束造成的残余应力的影响有关。减缓应力集中问题将在下节结合疲劳问题论述。

结构形式与构造细节在设计工作中也起着关键作用。在工作环境温度不高于-30℃的地区，焊接构件宜采用实腹式构件，避免采用手工焊接的格构式构件。在工作环境温度不高于-20℃的地区，承重构件的连接宜采用螺栓，避免采用焊接连接。超静定结构对于减少断裂的不良后果一般是有利的，同时要考虑由于地基不均匀沉陷、超静定结构等可能会导致严重不利的内力重分布等问题。

就防止断裂而言，多路径组织要优于单路径组织。单路径和多路径是相对的，既整个结构而言，有单路径和多路径结构之分；就单个构件而言，同样有单路径构件和多路径构件之分；甚至就构件的各部分元件而言，亦有单路径元件和多路径元件之分。多路径组织能有效防止断裂。

正确使用亦在防止脆断措施之列。在使用过程中，严禁在结构上随意加焊零部件以免导致机械损伤；除了严禁设备超载外，亦不得在结构上随意悬挂重物；严格控制设备的运行速度以减少结构的冲击荷载。除了结构正常使用的工作环境温度要符合设计要求外，在停车检修时（尤其在严寒季节）亦应注意结构的保温。

综上，通过正确选择材料、控制初始裂纹、减小应力集中、优化结构形式与构造细节以及正确使用等措施，可以有效防止钢结构的脆性断裂。