關于鋼結構脆性破壞的認識與分析

磨恬靜

（廣西安全工程職業技術學院，廣西 南寧 530100）

隨著我國房地產建筑業的發展，傳統的鋼筋混凝土結構不再占據壟斷地位，各種新型建筑結構體系蓬勃發展，其中以鋼結構尤為引人關注。鋼結構是將各式型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構件通過焊縫、螺栓或鉚釘連接組合而成的結構形式。一方面，因其具有強度高，塑性、韌性好、質量輕、材質均勻、施工期短、抗震性和密閉性好、建筑表現力豐富等優點，在廠房、場館、超高層以及大跨度結構中應用廣泛。鋼結構學科發展也因此得到有力推動，成為結構工程中最具有活力的研究方向。另一方面，鋼結構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，尤其是鋼結構具有低溫冷脆傾向，在低溫腐蝕環境、內部裂紋、外部缺陷等其他條件下，極可能發生毫無征兆的脆性破壞，引發重大安全事故，造成嚴重后果。

根據相關文獻統計，鋼結構的破壞事故中，由脆性破壞引發導致的占將近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，第二次世界大戰期間發生的多起焊接油船的脆性破壞事故，以及解放后我國開發某油田時鋼鉆桿的脆斷事故等。整個鋼結構的發展史，幾乎就是人類對其脆性破壞的認識研究史。隨著科學技術的不斷發展，鋼材的材料性能有了極大的提高，鋼結構的設計計算和施工技術也在不斷完善，但由于新型高強鋼材不斷投入使用，大跨度和超高層結構的快速發展，設計、施工和使用中存在的多種安全隱患，以及焊接結構逐漸取代鉚接結構，使得鋼結構的脆性破壞問題在當下尤為突出，需要我們對其有足夠認識，以對癥下藥，防患于未然。

1 鋼結構脆性破壞的特征和類型

鋼結構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）是結構或構件在破壞前幾乎不發生塑性變形，宏觀表現為斷裂時伸長量極其微小，破壞應力低于極限承載力的一種破壞形式。鋼結構發生脆性破壞時，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，處于脆性狀態中的材料，其裂紋起紋時，只需從拉應力場中釋放出的彈性能驅動就能迅速擴展，而不需要外力再做功。可見，結構內部存在不同類型和不同形式的裂紋，在荷載和惡劣環境的外因作用下，裂紋擴展到臨界尺寸，且裂紋處存在尖銳的應力集中，是為脆性破壞的根本原因。因此，脆斷應力可能低于鋼材的屈服點，且斷裂從應力集中處開始。此外，發生脆性破壞的鋼材構件，一般都厚度過大或含有大量非金屬雜質，存在孔洞、缺口和截面突變等缺陷，設計、施工和冶金技術可能存在隱患，且大部分斷裂事故都發生在低溫惡劣環境下的焊接結構中。脆性破壞發生概率較大，且往往沒有明顯征兆，事先難以察覺補救，因此非常危險，危害嚴重，要極力避免。

根據其破壞因素，鋼結構的脆性破壞通常可分為以下幾類：（1）過載斷裂。即由于結構所承受荷載過大，致使危險截面處因強度不足而導致的斷裂，一般常見于鋼絲繩、鋼絞線和高強鋼絲等脆性材料構件處；（2）非過載斷裂。塑性好的鋼材構件若內部存在裂紋，在缺陷、低溫等內外因素共同影響下突然呈現的脆性斷裂；（3）應力腐蝕斷裂。鋼結構在腐蝕性環境中受到靜力或準靜力荷載作用時，由于腐蝕作用和非過載斷裂的綜合作用而導致的斷裂破壞，其計算應力遠低于屈服極限的應力狀態；（4）疲勞斷裂。鋼構件在經歷長時間的交變荷載循環作用后，內部裂紋達到臨界狀態而突然斷裂的現象；（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塑性顯著下降，脆性急劇增加的現象。

2 鋼結構發生脆性破壞的因素

2.1 材料的因素

2.1.1 裂紋

鋼材內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力集中，隨著應力的增加，裂紋在應力場彈性勢能的作用下穩定擴展到臨界狀態，繼而發生失穩斷裂。由于一般鋼結構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原理，應用彈塑性斷裂力學公式來計算低應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。根據裂紋張開理論（COD 理論），當該式滿足時，構件即開裂。

2.1.2 應力

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

2.1.3 韌性

韌性差的結構發生脆性斷裂的可能性較大。影響鋼構件韌性的因素有化學成分、冶煉方法、軋制工藝、焊接工藝，還包括鋼板厚度、應力狀態、工作溫度和加荷速率等。其中，構件厚度對脆性斷裂影響最顯著。越厚的鋼材，軋壓次數越少，內部缺陷越多，韌性越差。

2.2 冶煉制作的因素

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

2.3 安裝焊接的因素

當下大部分的鋼結構建筑已采用焊接結構取代鉚接結構，因此焊接安裝工藝格外重要。在熱影響區和焊縫處，材料的韌性和塑性都比較差。如果焊接技術不合格，使鋼材產生過多裂紋、欠焊、夾渣和氣孔等缺陷，甚至在鋼材內部產生殘余應力，往往就會導致焊接部位發生脆性斷裂。

2.4 設計和使用方面的因素

為了降低造價或設計者自身能力有限，在結構設計階段沒有考慮全面或設計有誤，未給結構留有足夠的安全儲備等，都可能造成鋼材發生斷裂破壞。而在建筑或構件的使用過程中，使用者不按規范要求，不注意加載控制，超負荷使用，或隨意設置附加連件，猛烈敲打構件，不注重對結構的日常維護，未及時檢修，在低溫或腐蝕性高的環境中沒有對結構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構發生脆性破壞的誘因。

3 預防鋼結構發生脆性破壞的措施

3.1 計算設計方面

3.1.1 防脆斷設計

建立在斷裂分析基礎上的防脆斷設計能有效防止焊接鋼結構發生脆性斷裂。如果設計者精通斷裂力學知識，在設計過程中，對材料的斷裂韌性、最低工作溫度、最大缺陷尺寸以及環境腐蝕應力嚴格把控，同時重視內部裂紋的危害，則可為鋼結構選購材料、制定施工方案、質量驗收、安全運行和檢修規程提供更科學合理的依據。

3.1.2 破損安全設計

破損安全設計要求以“合乎使用”為原則，即要事先預判到鋼構件在使用過程中可能出現的缺陷和裂紋，允許結構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格控制，不能任其在結構檢修期或使用壽命內發展到臨界尺寸。破損安全設計可根據不同的斷裂標準進行，具體分為K 判據法、COD 法和J 積分法等。

3.1.3 止裂設計

對于船板、飛機蒙皮、鋼結構橋梁等因受外部荷載長期反復作用而產生疲勞裂紋的結構，需要考慮止裂設計。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小于材料止裂韌性的應力強度因子谷值。同時，還可以布置一些由碳纖維復合材料（CFRP）構成的止裂帶，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，防止結構發生整體性的脆斷。

3.1.4 應力控制設計

焊接鋼結構的焊縫、熱影響區、熔合線應變時效區、孔洞、缺口、尖銳凹槽和截面突變處往往因為高度應力集中或同號應力狀態，從而成為脆性破壞的發源地，因此，在設計過程中要避免采用任何易造成應力集中的結構方案。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力；應采用超靜定結構，以提高結構的安全儲備；盡量避免在結構主焊縫或高應力部位安裝線管、支座、人梯等外加附件；當不同厚度的鋼材對接時，應盡量使焊縫實現平順、圓滑過渡。

3.2 制作安裝方面

3.2.1 嚴格選擇材料

對于焊接式鋼結構，特別是在低溫惡劣環境中工作，或承受復雜動力荷載的鋼結構構件，應優先選用鎮靜鋼。這是因為鎮靜鋼夾成分純凈，氣泡雜質較少，組織細密均勻，能有效避免鋼材發生脆性斷裂。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，說明軋壓的次數越多，冶煉缺陷越少，發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，在工作環境大于0℃的情況下，一般選用厚度控制在50mm 左右的不預熱鋼板。同時，要按照相關標準及技術要求對鋼材進行嚴格的出廠和入場復檢，進一步保證產品質量。

3.2.2 注重焊接效果

鋼構件的焊接質量會直接影響結構的整體質量，是保證鋼結構安全性、適用性和耐久性的重要因素，因此焊接質量必須合格。當下大部分的鋼結構工程，其構件多是在施工現場拼接組裝的，施焊條件不確定且多變，因此應當選用技術評定良好的焊工。在施焊過程中，要求操作人員熟練掌握焊接技術并嚴格遵守施工規程，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象。

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

3.2.3 保證安裝質量

在鋼構件安裝過程中，要嚴格控制裝配尺寸，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，降低局部應力集中。由于構件的成形質量直接影響安裝質量，故應盡量選擇型狀尺寸均勻合理，符合標準要求的構件，不要過于復雜和多變。

3.3 使用維護方面

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

4 結語

隨著鋼結構學科和現代工業的進步，鋼材的質量和數量有了極大的提高，鋼結構的應用范圍也越來越廣泛。鋼結構的脆性破壞作為一類多發的安全事故，損失巨大，后果嚴重，必須認真對待，引起重視，對其破壞因素要加深認識。根據本文闡述，只要采取科學合理的預防措施，鋼結構脆性破壞就得到有效的控制或避免，因此鋼結構仍是結構體系中重要的組成部分，具有廣闊的發展前景。