磨恬靜

（廣西安全工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530100）

隨著我國房地產(chǎn)建筑業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不再占據(jù)壟斷地位，各種新型建筑結(jié)構(gòu)體系蓬勃發(fā)展，其中以鋼結(jié)構(gòu)尤為引人關(guān)注。鋼結(jié)構(gòu)是將各式型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件通過焊縫、螺栓或鉚釘連接組合而成的結(jié)構(gòu)形式。一方面，因其具有強度高，塑性、韌性好、質(zhì)量輕、材質(zhì)均勻、施工期短、抗震性和密閉性好、建筑表現(xiàn)力豐富等優(yōu)點，在廠房、場館、超高層以及大跨度結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科發(fā)展也因此得到有力推動，成為結(jié)構(gòu)工程中最具有活力的研究方向。另一方面，鋼結(jié)構(gòu)自身無法避免的缺點和局限性也不容忽視，如耐腐蝕性差、易銹蝕、不耐火、造價高等，尤其是鋼結(jié)構(gòu)具有低溫冷脆傾向，在低溫腐蝕環(huán)境、內(nèi)部裂紋、外部缺陷等其他條件下，極可能發(fā)生毫無征兆的脆性破壞，引發(fā)重大安全事故，造成嚴(yán)重后果。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計，鋼結(jié)構(gòu)的破壞事故中，由脆性破壞引發(fā)導(dǎo)致的占將近75%，例如，1886 年美國紐約州鋼立柱水塔開裂事故，1951 年加拿大魁北克杜佩利西斯全焊接鋼板梁大橋斷毀事故，第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)生的多起焊接油船的脆性破壞事故，以及解放后我國開發(fā)某油田時鋼鉆桿的脆斷事故等。整個鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展史，幾乎就是人類對其脆性破壞的認(rèn)識研究史。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼材的材料性能有了極大的提高，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算和施工技術(shù)也在不斷完善，但由于新型高強鋼材不斷投入使用，大跨度和超高層結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，設(shè)計、施工和使用中存在的多種安全隱患，以及焊接結(jié)構(gòu)逐漸取代鉚接結(jié)構(gòu)，使得鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞問題在當(dāng)下尤為突出，需要我們對其有足夠認(rèn)識，以對癥下藥，防患于未然。

1 鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞的特征和類型

鋼結(jié)構(gòu)有塑性和脆性兩種完全不同的破壞形式。其中，脆性破壞（斷裂）是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在破壞前幾乎不發(fā)生塑性變形，宏觀表現(xiàn)為斷裂時伸長量極其微小，破壞應(yīng)力低于極限承載力的一種破壞形式。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞時，鋼材晶格之間的剪切滑移受到限制，使塑性變形無法發(fā)生。鋼材晶格被拉斷后，其斷裂面粗糙，呈金屬原色，斷口平直有光澤，有少量剪切斷裂形成的唇口，微觀下能看到明顯的人字紋或放射線紋。一般情況下，處于脆性狀態(tài)中的材料，其裂紋起紋時，只需從拉應(yīng)力場中釋放出的彈性能驅(qū)動就能迅速擴展，而不需要外力再做功?？梢姡Y(jié)構(gòu)內(nèi)部存在不同類型和不同形式的裂紋，在荷載和惡劣環(huán)境的外因作用下，裂紋擴展到臨界尺寸，且裂紋處存在尖銳的應(yīng)力集中，是為脆性破壞的根本原因。因此，脆斷應(yīng)力可能低于鋼材的屈服點，且斷裂從應(yīng)力集中處開始。此外，發(fā)生脆性破壞的鋼材構(gòu)件，一般都厚度過大或含有大量非金屬雜質(zhì)，存在孔洞、缺口和截面突變等缺陷，設(shè)計、施工和冶金技術(shù)可能存在隱患，且大部分?jǐn)嗔咽鹿识及l(fā)生在低溫惡劣環(huán)境下的焊接結(jié)構(gòu)中。脆性破壞發(fā)生概率較大，且往往沒有明顯征兆，事先難以察覺補救，因此非常危險，危害嚴(yán)重，要極力避免。

根據(jù)其破壞因素，鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞通常可分為以下幾類：（1）過載斷裂。即由于結(jié)構(gòu)所承受荷載過大，致使危險截面處因強度不足而導(dǎo)致的斷裂，一般常見于鋼絲繩、鋼絞線和高強鋼絲等脆性材料構(gòu)件處；（2）非過載斷裂。塑性好的鋼材構(gòu)件若內(nèi)部存在裂紋，在缺陷、低溫等內(nèi)外因素共同影響下突然呈現(xiàn)的脆性斷裂；（3）應(yīng)力腐蝕斷裂。鋼結(jié)構(gòu)在腐蝕性環(huán)境中受到靜力或準(zhǔn)靜力荷載作用時，由于腐蝕作用和非過載斷裂的綜合作用而導(dǎo)致的斷裂破壞，其計算應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服極限的應(yīng)力狀態(tài)；（4）疲勞斷裂。鋼構(gòu)件在經(jīng)歷長時間的交變荷載循環(huán)作用后，內(nèi)部裂紋達(dá)到臨界狀態(tài)而突然斷裂的現(xiàn)象；（5）氫脆斷裂。鋼材冶煉過程中溶解了一定量的氫，若鋼液冷卻時間不夠，內(nèi)部大部分的氫未能溢出，在使用過程中的靜荷載作用下出現(xiàn)塑性顯著下降，脆性急劇增加的現(xiàn)象。

2 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的因素

2.1 材料的因素

2.1.1 裂紋

鋼材內(nèi)部存在的各類微小裂紋是造成脆性斷裂的主要原因。尖銳裂紋處往往伴有高度應(yīng)力集中，隨著應(yīng)力的增加，裂紋在應(yīng)力場彈性勢能的作用下穩(wěn)定擴展到臨界狀態(tài)，繼而發(fā)生失穩(wěn)斷裂。由于一般鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的強度較低，但韌性較好，受拉斷裂時的屈服強度較大，因此相較彈性斷裂力學(xué)原理，應(yīng)用彈塑性斷裂力學(xué)公式來計算低應(yīng)力脆斷問題更符合工程實際。該式左端為裂紋頂端張開位移，右端則為位移的臨界值，是可通過試驗確定的材料固有屬性。根據(jù)裂紋張開理論（COD 理論），當(dāng)該式滿足時，構(gòu)件即開裂。

2.1.2 應(yīng)力

除了存在內(nèi)部裂紋，構(gòu)件在加工、安裝和使用過程中還可能產(chǎn)生缺口、孔洞、尖銳凹槽和截面突變等外部缺陷。這些缺陷部位在構(gòu)件處于受力狀態(tài)時通常會出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中。值得注意的是，鋼構(gòu)件脆性斷裂應(yīng)力應(yīng)是構(gòu)件的實際應(yīng)力，要同時考慮殘余應(yīng)力等因素。應(yīng)力集中使鋼材局部內(nèi)力增高，在應(yīng)力高峰處，還會出現(xiàn)雙向或三向同號應(yīng)力狀態(tài)，降低鋼材的塑性能力，容易造成脆性斷裂。

2.1.3 韌性

韌性差的結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂的可能性較大。影響鋼構(gòu)件韌性的因素有化學(xué)成分、冶煉方法、軋制工藝、焊接工藝，還包括鋼板厚度、應(yīng)力狀態(tài)、工作溫度和加荷速率等。其中，構(gòu)件厚度對脆性斷裂影響最顯著。越厚的鋼材，軋壓次數(shù)越少，內(nèi)部缺陷越多，韌性越差。

2.2 冶煉制作的因素

鋼材在制作和冶煉過程中，由于技術(shù)或設(shè)備的局限性，難免會混入包括氫、硫、磷在內(nèi)的非金屬雜質(zhì)，在鋼液冷卻過程中部分雜質(zhì)沒有去除干凈，仍殘留在材料內(nèi)。這些雜質(zhì)中的有害元素會直接影響鋼材的品質(zhì)，從而增加脆性破壞的風(fēng)險。

2.3 安裝焊接的因素

當(dāng)下大部分的鋼結(jié)構(gòu)建筑已采用焊接結(jié)構(gòu)取代鉚接結(jié)構(gòu)，因此焊接安裝工藝格外重要。在熱影響區(qū)和焊縫處，材料的韌性和塑性都比較差。如果焊接技術(shù)不合格，使鋼材產(chǎn)生過多裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等缺陷，甚至在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力，往往就會導(dǎo)致焊接部位發(fā)生脆性斷裂。

2.4 設(shè)計和使用方面的因素

為了降低造價或設(shè)計者自身能力有限，在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段沒有考慮全面或設(shè)計有誤，未給結(jié)構(gòu)留有足夠的安全儲備等，都可能造成鋼材發(fā)生斷裂破壞。而在建筑或構(gòu)件的使用過程中，使用者不按規(guī)范要求，不注意加載控制，超負(fù)荷使用，或隨意設(shè)置附加連件，猛烈敲打構(gòu)件，不注重對結(jié)構(gòu)的日常維護，未及時檢修，在低溫或腐蝕性高的環(huán)境中沒有對結(jié)構(gòu)進行保暖和防腐處理等。這些不合理的使用方式都是造成鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的誘因。

3 預(yù)防鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的措施

3.1 計算設(shè)計方面

3.1.1 防脆斷設(shè)計

建立在斷裂分析基礎(chǔ)上的防脆斷設(shè)計能有效防止焊接鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂。如果設(shè)計者精通斷裂力學(xué)知識，在設(shè)計過程中，對材料的斷裂韌性、最低工作溫度、最大缺陷尺寸以及環(huán)境腐蝕應(yīng)力嚴(yán)格把控，同時重視內(nèi)部裂紋的危害，則可為鋼結(jié)構(gòu)選購材料、制定施工方案、質(zhì)量驗收、安全運行和檢修規(guī)程提供更科學(xué)合理的依據(jù)。

3.1.2 破損安全設(shè)計

破損安全設(shè)計要求以“合乎使用”為原則，即要事先預(yù)判到鋼構(gòu)件在使用過程中可能出現(xiàn)的缺陷和裂紋，允許結(jié)構(gòu)帶有一定程度的損傷工作，但對這些初始裂紋和損傷必須進行嚴(yán)格控制，不能任其在結(jié)構(gòu)檢修期或使用壽命內(nèi)發(fā)展到臨界尺寸。破損安全設(shè)計可根據(jù)不同的斷裂標(biāo)準(zhǔn)進行，具體分為K 判據(jù)法、COD 法和J 積分法等。

3.1.3 止裂設(shè)計

對于船板、飛機蒙皮、鋼結(jié)構(gòu)橋梁等因受外部荷載長期反復(fù)作用而產(chǎn)生疲勞裂紋的結(jié)構(gòu)，需要考慮止裂設(shè)計。主要方法包括鉆止裂孔、栓接鋼板、合理布置加強焊縫和特殊加固裝置等，從而使鋼平板處出現(xiàn)小于材料止裂韌性的應(yīng)力強度因子谷值。同時，還可以布置一些由碳纖維復(fù)合材料（CFRP）構(gòu)成的止裂帶，這不僅能避免疲勞裂紋的突然快速傳播，還能有效阻止其他形式的亞臨界裂紋的擴展，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性的脆斷。

3.1.4 應(yīng)力控制設(shè)計

焊接鋼結(jié)構(gòu)的焊縫、熱影響區(qū)、熔合線應(yīng)變時效區(qū)、孔洞、缺口、尖銳凹槽和截面突變處往往因為高度應(yīng)力集中或同號應(yīng)力狀態(tài)，從而成為脆性破壞的發(fā)源地，因此，在設(shè)計過程中要避免采用任何易造成應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)方案。要盡量避免尖銳突變和開口，避免焊縫密集和多條交匯，避免焊縫直接承受橫向拉應(yīng)力；應(yīng)采用超靜定結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)的安全儲備；盡量避免在結(jié)構(gòu)主焊縫或高應(yīng)力部位安裝線管、支座、人梯等外加附件；當(dāng)不同厚度的鋼材對接時，應(yīng)盡量使焊縫實現(xiàn)平順、圓滑過渡。

3.2 制作安裝方面

3.2.1 嚴(yán)格選擇材料

對于焊接式鋼結(jié)構(gòu)，特別是在低溫惡劣環(huán)境中工作，或承受復(fù)雜動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)優(yōu)先選用鎮(zhèn)靜鋼。這是因為鎮(zhèn)靜鋼夾成分純凈，氣泡雜質(zhì)較少，組織細(xì)密均勻，能有效避免鋼材發(fā)生脆性斷裂。要注意控制鋼板的最大厚度，盡量使用厚度較小的材料。鋼材越薄，說明軋壓的次數(shù)越多，冶煉缺陷越少，發(fā)生脆性破壞的可能就越小。我國用于制作梁柱桁架的低碳鋼，在工作環(huán)境大于0℃的情況下，一般選用厚度控制在50mm 左右的不預(yù)熱鋼板。同時，要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求對鋼材進行嚴(yán)格的出廠和入場復(fù)檢，進一步保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2.2 注重焊接效果

鋼構(gòu)件的焊接質(zhì)量會直接影響結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量，是保證鋼結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的重要因素，因此焊接質(zhì)量必須合格。當(dāng)下大部分的鋼結(jié)構(gòu)工程，其構(gòu)件多是在施工現(xiàn)場拼接組裝的，施焊條件不確定且多變，因此應(yīng)當(dāng)選用技術(shù)評定良好的焊工。在施焊過程中，要求操作人員熟練掌握焊接技術(shù)并嚴(yán)格遵守施工規(guī)程，盡量減少咬邊、氣孔、夾渣和表面裂紋，杜絕未焊透及母材未與焊條材料熔合的現(xiàn)象。

焊接前可進行預(yù)熱，焊接后應(yīng)輕敲構(gòu)件以釋放部分殘余應(yīng)力并進行熱處理。要對焊接接頭處的應(yīng)變時效脆化加以重視。所謂應(yīng)變時效，即鋼材經(jīng)過塑性變形或預(yù)應(yīng)變后產(chǎn)生加工硬化，在屈服強度和硬度提高的同時，塑性降低，脆性增高的現(xiàn)象。鋼材在200 ～300℃的溫度區(qū)間產(chǎn)生應(yīng)變，其脆性會明顯增大；在焊接的冷卻過程中，400 ～200℃溫度區(qū)間的塑性應(yīng)變會產(chǎn)生顯著的脆化。

3.2.3 保證安裝質(zhì)量

在鋼構(gòu)件安裝過程中，要嚴(yán)格控制裝配尺寸，避免強力組裝及角變形、錯邊量等幾何形狀的偏差和不連續(xù)，降低局部應(yīng)力集中。由于構(gòu)件的成形質(zhì)量直接影響安裝質(zhì)量，故應(yīng)盡量選擇型狀尺寸均勻合理，符合標(biāo)準(zhǔn)要求的構(gòu)件，不要過于復(fù)雜和多變。

3.3 使用維護方面

鋼結(jié)構(gòu)在長期使用過程中，不僅原有的裂紋會進一步擴展，還會不可避免地產(chǎn)生新的缺陷，增大脆性斷裂的概率，因此在使用過程中要規(guī)范操作、按時維護、及時檢修。使用者不能在主要構(gòu)件上任意焊接附件或直接用作受力支承，盡量避免超載，若要臨時設(shè)置附加連件必須征得原設(shè)計人員的同意；要注意定期對鋼材作油漆防護防銹，避免結(jié)構(gòu)在使用中遭受猛烈敲打、撞擊和機械損傷；當(dāng)氣溫低于結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作溫度時，要對結(jié)構(gòu)采取抗凍保暖措施；在腐蝕性強的環(huán)境中，要對結(jié)構(gòu)進行一定的防腐處理。

4 結(jié)語

隨著鋼結(jié)構(gòu)學(xué)科和現(xiàn)代工業(yè)的進步，鋼材的質(zhì)量和數(shù)量有了極大的提高，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)的脆性破壞作為一類多發(fā)的安全事故，損失巨大，后果嚴(yán)重，必須認(rèn)真對待，引起重視，對其破壞因素要加深認(rèn)識。根據(jù)本文闡述，只要采取科學(xué)合理的預(yù)防措施，鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞就得到有效的控制或避免，因此鋼結(jié)構(gòu)仍是結(jié)構(gòu)體系中重要的組成部分，具有廣闊的發(fā)展前景。