鋼結構厚鋼板的工程應用及脆性破壞研究

摘 要：國內外的鋼結構建筑迅猛發展使得厚鋼板的使用越來越多，文章就厚鋼板的研究和發展現狀以及目前國內外的應用做了系統的總結，重點分析鋼板厚度的增大提高了脆性破壞的可能性，焊縫殘余應力對鋼結構脆性破壞的影響等相關問題，最后提出鋼結構厚板未來的發展的重點和急需解決的問題，為厚板研究、應用、與設計等等提供的參考。

關鍵詞：鋼結構厚板；脆性破壞

中圖分類號：TG404 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）35-0003-02

1 國內鋼結構厚板的應用概況

國內鋼結構厚板的應用起步較晚，主要是受到鋼材生產能力、建筑技術水平及設計規范的限制。我國的高層建筑結構一直以來大部分采用鋼筋混凝土結構，隨著近十幾年來超高層建筑及大跨度空間結構快速發展，鋼筋混凝土結構抗震性能差、自重大的缺點使得其并不適合應用于超高層建筑，而鋼材具有高強、勻質、較高的塑性和韌性，這些性能保證了鋼結構能夠較好的工作。

目前隨著我國冶金生產技術的不斷發展，國產厚鋼板品種增加，質量性能顯著提高，部分產品達到世界的領先水平，為復雜的鋼結構建筑物應用的發展提供了充分的保證。而設計規范的不斷修訂，也使得鋼結構的設計更為合理、經濟和規范化.此外，高層鋼結構應用的程度的加大與綜合技術水平也得到了明顯的提高，近幾年來使用鋼厚板的超高層建筑不斷涌現，如上海環球金融中心、廣州西塔、深圳京基金融中心、廣州新電視塔等，國內重點的建筑鋼結構厚板工程見表1。

早期受到設計規范和厚鋼板性能方面的影響，中國鋼結構工程中厚鋼板的使用和研究明顯落后于國外。隨著經濟和科學技術水平的提高，近期鋼結構中厚板的應用與之前有了很大的變化，主要有以下特點：

①隨著國內冶煉技術的提升，國內生產的厚鋼板已經能為建筑結構用鋼厚板提供良好的性能.其中有部分廠家已經具備生產國外標準的厚鋼板；

②近期國內設計規范的不斷修訂，使得鋼結構的設計、施工、選材更加合理及有據可依；

③鋼結構的發展進入了高速階段，是國家擁有高品質的鋼材，使的鋼結構在高層使用越來越多。

綜上所述，我國鋼結構的建筑的建造進入了快速時期，部分廠家已經具備生產國外標準的厚鋼板，這對于鋼結構厚板的發展起著重要的支撐作用。但是還是存在著一些問題，目前國內能夠生產建筑結構使用的鋼厚板的廠家只有少數的幾家，使用的鋼厚板還是以進口的為主。

2 鋼結構厚鋼板脆性破壞研究

失穩、疲勞、脆斷三種破壞形式是鋼結構最主要的三種脆性破壞形式。其大致特征是對缺陷非常敏感，破壞發生十分突然，之前沒有明顯的塑性變形，破壞時構件的應力低于材料的屈服強度，造成的破壞是很嚴重的.目前雖然鋼材性能比之前有了很大的提高，鋼結構的設計方法和施工技術也不斷地取得進步.但現在的結構形式越來越復雜，不利于結構構件的受力，而設計上存在不足之處、施工方面存在缺陷。因此，必須對鋼結構脆性破壞問題引起重視。

2.1 鋼結構的脆性破壞

鋼結構脆性破壞的影響因素有：材質缺陷、應力集中、工作環境、鋼板厚度。在鋼結構設計時候，一般不會考慮應力集中對鋼結構的靜力極限承載力的影響，而在鋼結構若受到動力荷載（比如地震、吊車等等）作用時候，若材質缺陷、應力集中、工作環境、鋼板厚度綜合作用下，特別是存在較為顯著的應力集中，脆性斷裂發生的可能性大大增加。

隨著結構體系不規則的程度的增加，建筑用鋼板厚度增大，鋼結構焊接難度隨之增大，出現沿板厚方向層狀撕裂的傾向性也相應增大。另一方面，我國很大一部分地區冬季時間長，有點地方長年低溫，這不免會遇到鋼結構在冬季時候進行施工或低溫下工作，這都很容易導致鋼結構的脆性破壞，尤其是厚板焊接造成的缺陷會加劇了鋼結構發生脆性斷裂的傾向性。

2.2 鋼結構厚板的力學性能

清華大學王元清等人對鋼結構厚板進行了的低溫試驗研究表明：溫度對鋼結構厚板的屈服強度和抗拉強度有一定的影響，從而影響了鋼板的斷面收縮率。當溫度的降低的時候，鋼板的屈服和抗拉強度增，而斷面收縮率減小，從鋼板表面至中心，所以導致鋼板的橫向的斷面收縮率出現有下降趨勢；隨鋼板厚度的增加，鋼板縱向的斷面收縮率逐漸減小，且小于鋼板橫向的斷面收縮率。隨著鋼板板厚的增加，鋼板中缺陷處會導致應力集中，導致鋼板在相應部位應力應變狀態由平面應力向平面應變轉變，發生脆性斷裂的趨勢增加.鋼結構的脆性斷裂在低溫下焊接施工或低溫下服役中極容易發生，尤其是厚板焊接工程。

清華大學王元清等人對60～150 mm厚的鋼板試件在低溫下進行了沖擊韌性試驗，實驗獲得不同實驗條件下的韌脆轉變溫度及其變化規律結果顯示：結構鋼厚板脆性增大和鋼厚板的沖擊韌性隨溫度的降低，板厚增大以及沿板厚度方向由表面到中心的位置變化而降低有很大的關系，要引起足夠重視。

2.3 國內鋼結構厚板脆性破壞

2.3.1 鋼板厚度影響機理

鋼板厚度的增加，其可焊性、力學性能等迅速惡化，導致其延性變差，容易發生沿鋼板厚度方向的層狀撕裂。具體來說，鋼板強度、韌性和塑性均下降，鋼板中的平面應力狀態隨著板厚增加也發生變化，Z向約束增大，厚度若超過一定值，應力狀態將由平面應力狀態變為平面應變狀態，提高了鋼結構構件出現脆性斷裂的傾向；同時板厚的增加提高了材料缺陷處的應力集中系數，并且提高了產生脆性裂紋的敏感性。

鋼結構厚板的制作工藝使得鋼厚板厚度方向與平面內方向的性能有著較大的差別，層狀撕裂對于鋼材內部的缺陷十分敏感，而致使鋼厚板沿其厚度方向的受拉性能較差。鋼厚板構件的層狀撕裂一般是在焊縫殘余應力以及沿厚度方向的外荷載作用下產生的。鋼厚板發生層裝撕裂的條件主要有：①鋼材材質，鋼材中含有較多硫、磷等對鋼材質量有害的物質；②沿鋼板厚板厚度方向存在較大的應力。

2.3.2 國內對鋼結構厚板及其連接焊縫的研究現狀

李艷梅，朱伏先等，對中心部位含有明顯缺陷的Q235B鑄坯的實驗材料進行研究，把試件劃分成微小的成分進行分析，同時并對試驗的中厚鋼板的缺陷進行分析。結果表明，分層部位的產生缺陷主要原因：鋼板沿壓軋方向分布的鐵素體帶中硫化物的雜質。

胡宗文，王元清等，針對受拉厚板（60～150 mm厚），厚板含有存在缺口，對其力學性能進行了深入分析，特別是對厚板是否易發生脆性斷裂可能性作了深入的探討.數據表明，厚板具有更顯著的脆性斷裂趨勢。

王元清，周暉等，對Q345鋼板進行了的斷裂韌性試驗研究，試件厚度為150 mm的，在低溫下進行。試驗結果表明：從200～600 ℃，熱影響區和焊縫金屬的CTOD值隨溫度的減小而減小，降低的幅值最大分別達78%和91%；熱影響區CTOD值比焊縫金屬和母材均要小，為斷裂韌性的研究提供了寶貴的數據。

由此可見，目前國內對于焊縫的脆性斷裂更多的是從鋼材的缺陷等方面來研究，未來更多的應該基于斷裂力學機理進行更為系統的研究，而現在發展的超高層建筑的結構體系是相當復雜的，所以，應該針對實際工程提出簡便的設計計算方法。

3 結 論

目前，鋼結構厚板得到飛速的發展，在建筑結構中的應用與初步形成。在不斷有人類偉大工程、城市標致性建筑使用鋼結構厚板，鋼結構厚板呈現出了蓬勃發展的景象。鋼結構建筑具有優異的抗震性能，而且是符合中國走可持續發展戰略目標，具有很好的發展前景。誠然，一個新興事物的發展和應用一定需要很長的時間和更多的專家學者的研究，本文旨在呼吁更多有社會責任感學者和專家來研究鋼結構厚板的結構理論、設計技術、施工技術的等等，使相關標準及規程的更加完備，為建筑鋼結構厚板的應用提供了技術支持。

參考文獻：

[1] 戴為志.建筑鋼結構焊接工程層狀撕裂的產生機理及防止[J].焊接技術應用與研究，2007，（S1）.

[2] 柴昶，陳祿如，劉迎春.鋼結構用鋼材新標準及其應用[J].鋼結構，2008，23（12）：38-43.

[3] 王元清，周暉，石永久，等.鋼結構厚板層狀撕裂及其防止措施的研究現狀[J].建筑鋼結構進展，2010，12（5）：26-34.

[4] 王元清，周暉，胡宗文，等.鋼結構厚板力學性能的低溫試驗研究[J].土木建筑與環境工程，2011，33（5）：7-12.

[5] 楊凌川，陳山林，胡英奎.高層建筑鋼結構在低溫條件下的焊接施工[J].重慶建筑大學學報，2004，26（3）：51-54.

[6] 王元清，胡宗文，石永久，等. 結構鋼厚板低溫沖擊韌性試驗研究[J].哈爾濱工程大學學報，2010，（9）.

[7] 但澤義.Z向性能鋼板的技術要求及選用[J].鋼鐵技術.2005，（2）：26-29.

[8] 李艷梅，朱伏先，崔鳳平，等.中厚鋼板分層缺陷的形成機制分析[J].東北大學學報（自然科學版），2007，28（7）：1002-1005.

[9] 胡宗文，王元清，石永久，等.應力集中對鋼結構厚板脆性破壞的影響分析[J].低溫建筑技術，2010，139（1）：1-4.

[10] 王元清，周暉，石永久，等.鋼結構厚板對接焊縫的低溫斷裂韌性試驗[J].哈爾濱工業大學學報，2012，6（44）：115-120.