钢结构脆性破坏案例
第二章 焊接结构的脆性断裂
造成脆性断裂的原因
材料选用不当 起源于焊接结构的不利因素 结构的构造越来越复杂 使用条件越来越恶劣（如低温、海洋环境等） 荷载、钢材强度、板厚等都越来越大 设计计算方法越来越先进精细，安全储备降低
二、金属材料脆性断裂的能量理论
（格里菲斯）Griffith裂纹理论
基点：材料中已存在裂纹 在裂纹尖端引起应力集中，在外加应力小于理 论断裂强度时裂纹扩展，实际断裂强度大大降低。 大量研究和试验表明，固体材料的实际断裂强度只 有它理论断裂强度的1/10~1/1000.
防止结构发生脆性破坏的两个设计准则
①
开裂控制（防止裂纹产生准则）
设计要求在焊接结构最薄弱的部位，即焊接接头 处具有抵抗脆性裂纹产生的能力，即抗裂能力。
②
扩展控制（止裂性能准则）
设计要求如果在这些部位产生了脆性小裂纹，其 周围材料应具有将其迅速止住的能力。
（二）断裂评定方法
金属材料的断裂除与材料本质特征有关外，还与 结构所处于的温度、加载速度、应力状态等外加因 素有关，其中温度是个主要因素。 对于一种材料有两个临界温度即开裂温度和 止裂温度。开裂、止裂温度的高低可以用来衡量材 料的抗裂性能和止裂性能。且开裂、止裂的温度越 低，材料的抗开裂性能和止裂性能就越好。
1、冷应变时效：材料经历切割、冷热成形（剪切、弯
曲、矫正）等工序使材料发生应变时效导致材料变脆。
2、热应变时效：在焊接时，近缝区某些加工时留下的刻
槽，即缺口尖端附近或多层焊道中已焊完焊道中的缺陷附 近，金属受到热循环和热塑变循环的作用，产生焊接应力-应 变集中，导致较大的塑性变形，引起应变时效。 解决措施：焊后经过550～650℃热处理可以消除两类应变时 效对低碳钢和一些合金结构钢的影响，恢复其韧性。
3 钢结构的破坏形式
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式
正确制造
(1) 严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将 螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。 (2) 为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方 法，以及对剪切边进行刨边。 (3) 为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺 和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法 消除主要构件中的焊接残余应力。 (4) 焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范 的要求进行。
32结构和构件的局部失稳钢结构的可能破坏形式10局部失稳不会导致整个结构丧失承载力但会使截面的刚度退化降低结构的整体稳定不会导致整个结构丧失承载力但会使截面的刚度退化降低结构的整体稳定3钢结构的可能破坏形式33结构的强度破坏塑性破坏结构在不发生整体失稳和局部失稳的条件下内力将随荷载的增加而增加当结构构件截面上的内力达到截面的承载力并使结构形成机构时结构构件将丧失承载力而破坏
钢结构的可能破坏形式
3 钢结构的 可能破坏形式 轴心受压构件的整体失稳
理想轴心受压构件（理想直，理想 轴心受力）当其压力小于某 个值（Ncr）时，只有轴向压缩变形和均匀压应力。达到该值时，构 件可能弯曲或扭转，产生弯曲或扭转应力。此现象称：构件整体失 稳或整体屈曲。意指失去了原先的直线平衡形式的稳定性。 轴心压力N较小 只有压缩变形和截面均匀受压。 稳定平 干扰力除去后，恢复到原直线 衡状态 平衡状态 干扰力除去后，不能恢复到原 直线平衡状态,保持微弯状态 干扰力除去后，弯曲变形仍然 迅速增大，迅速丧失承载力,丧 失整体稳定 临界平 衡状态
（2）必须考虑材料非线性的影响。 （3）必须考虑结构和构件的初始缺陷。
第5章 钢结构脆性断裂事故
第5章钢结构的脆性断裂事故5.1 脆性断裂概念钢结构是由钢材组成的承重结构，虽然钢材是一种弹塑性材料，尤其低碳钢表现出良好的塑性，但在一定的条件下，由于各种因素的复合影响，钢结构也会发生脆性断裂，而且往往在拉应力状态下发生。
脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力（低于钢材屈服强度或抗拉强度）情况下发生的突然断裂破坏。
钢结构的脆性断裂通常具有以下特征：1．破坏时的应力常小于钢材的屈服强度ƒy，有时仅为ƒy的0.2倍。
2．破坏之前没有显著变形，吸收能量很小，破坏突然发生，无事故先兆。
3．断口平齐光亮。
脆性破坏是钢结构极限状态中最危险的破坏形式。
由于脆性断裂的突发性，往往会导致灾难性后果。
因此，作为钢结构专业技术人员，应该高度重视脆性破坏的严重性并加以防范。
5.2 脆性断裂的原因分析钢结构塑性很好，但仍然会发生脆性断裂，是由于各种不利因素综合影响或作用的结果，主要原因可归纳为以下几方面：一．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；硫、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。
二．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入塑性状态，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、裂纹以及截面突变在所难免。
2．焊接作为钢结构的主要连接方法，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是应力集中源。
钢结构脆性破坏事故分析
研究背景
钢结构脆性破坏是指钢材在受力过程中突然发生脆性断裂，导致结构失效。这 种现象在低温环境下尤为突出，因为钢材的脆性断裂强度随温度的降低而显著 下降。目前，国内外学者对钢结构脆性破坏的研究主要集中在材料脆化、构件 承载力和稳定性等方面。然而，对于低温环境下钢结构脆性破坏的机理和防治 方法仍需进一步探讨。
（2）结构设计不合理：通过对结构设计进行复核，发现部分节点的连接方式 不合理，导致应力集中。在长期使用过程中，这些节点逐渐产生疲劳损伤，最 终导致脆性破坏。
（3）施工过程中的问题：事故调查发现，部分钢构件的焊接工艺不当，存在 焊接缺陷。这些缺陷在结构使用过程中逐渐扩展，最终导致脆性破坏。
3、脆性破坏的预防措施
根据本次事故的原因和机制，提出以下预防措施：
（1）加强钢材质量控制：选用符合规范要求的优质钢材，确保进场材料符合 设计要求。同时，对进场钢材进行严格检验，防止不合格材料进入施工现场。
（2）优化结构设计：对钢结构进行精细化设计，避免应力集中。考虑结构在 使用过程中的疲劳损伤，采取相应的加强措施。
钢结构脆性破坏事故分析
01 引言
目录
02 事故案例
03 脆性破坏原理
04 预防措施
05
钢结构脆性破坏事故 的调查与分析
06 参考内容
引言
随着建筑行业的快速发展，钢结构在各种工程项目中的应用愈发广泛。然而， 钢结构脆性破坏事故的频发，给建筑物的安全性带来了严重威胁。本次演示通 过分析一起典型的钢结构脆性破坏事故，探讨事故的原因、预防措施以及对未 来的启示。
本起事故涉及的体育馆为钢网架结构，跨度大、空间受力复杂。事故发生时， 部分钢构件在没有明显塑性变形的情况下突然断裂，导致整个网架结构塌陷。 由于事故发生在施工阶段，幸亏现场没有人员伤亡。
钢结构脆性破坏事故分析(1)
工程事故分析钢结构脆性破坏事故分析王元清(清华大学土木工程系 100084) 钢结构的破坏通常可分为塑性和脆性两种形式。
其中脆性破坏是结构极限状态中最危险的破坏形式之一,这主要由于它的发生往往很突然、没有明显的塑性变形,而且构件破坏时的承载能力很低,带来的损失也十分惊人。
1 钢结构脆性事故的原因分析钢结构,特别是焊接钢结构受材料性质、加工工艺等方面因素影响,不可避免地存在各种缺陷,加之使用条件的不利作用(如超载、低温、动载等),易发生各类事故。
而在钢结构的事故中,脆性破坏占相当大的比例。
文献[5]给出了钢结构事故中各种破坏类型所占的比例(见表1)。
可见,有必要深入开展钢结构的脆性破坏方面的研究。
表1 钢结构各破坏类型在工程事故中所占的百分比破坏类型1951～197759起事故1951～195969起事故1950～1975100起事故整体或局部失稳224441母材破坏 塑性破坏脆性破坏62717814钢材的疲劳破坏1653(考虑焊缝)焊接连接的破坏152624螺栓连接的破坏43其它类型破坏1087早在1971年国际焊接协会(International Insti-tute of W elding)就对60个焊接钢结构脆性破坏实例进行了统计分析[1],并根据所占比例总结出14个最主要的影响因素(参见表2)。
其中每个脆性破坏的实例并不是由单一因素引起的,而是多个因素共同作用的结果,所以表中列举的实例总数不是60个,而是126个。
表2 国际焊接协会对焊接钢结构脆性破坏的实例统计分析结果序号影响因素实例数 百分比1钢材对裂纹的敏感性2620.62结构构造缺陷1814.33构件的焊接残余应力1713.54钢材冷作与变形硬化1411.15疲劳裂纹97.26其它焊缝缺陷97.27结构工艺缺陷97.28结构超载8 6.39构件的热应力6 4.810焊接热影响区的裂纹3 2.411钢材的热处理3 2.412焊缝的裂纹2 1.613钢材的冷加工10.714腐蚀裂纹10.7总 计126100.0 作者在留学期间曾对前苏联223个工程中发生的350个钢结构脆性破坏实例进行了统计分析[2]。
钢结构事故案例分析(二)
• 加固后最大应力191MP<215MP.经过多年使 用良好。
• 例题3-8：乌鲁木齐某国家粮库专用铁路站台罩棚。
• 跨度30米，拱形波纹屋盖矢高6米，1.4mm的彩色镀 锌钢板，屈服强度280MP.1999年完工，2000年1月大 雪便坍塌。设计强度没有考虑小波影响和二阶效应 影响。承载力明显不足。
1995年5月25日早晨，广州海印斜拉桥一根钢索突然 断裂，近百米的钢索坠落在桥面，距离当时大桥 建成6年半。每一根钢索都有近两百根直径5mm的 高强钢丝组合而成。钢索的防腐蚀做法是：每一 小根钢丝表面镀锌50μm，钢丝束组成的钢索外套 高密度聚乙烯管，馆内灌注水泥浆。事故调查发 现，钢丝上段水泥浆未充满，从而腐蚀。后来对 全部钢索更换为高密度聚乙烯直接在镀锌钝化钢 丝上挤压而成的钢索。
3.2 第二类-----网架结构质量事故
3.2.1 事故原因：
1.设计失误—荷载组合不当
•
力学模型、计算简图不当
•
节点不当
•
未考虑吊装荷载
•
2.制作失误—下料尺寸不准
•
节点焊接不过关
•
焊接连接质量不满足
•
3.拼装失误—安装顺序失误
•
临时支撑少
•
吊点不合理
•
多台起重机不协调工作
• 例题3-5通讯楼网架坍塌
• 概况：某通讯楼为网架结构，焊接空心球节点棋盘 形四角锥网架，平面尺寸13.2m*17.99m,网格数5*7， 网格尺寸2.64m*2.57m,网架高1m,支撑时上弦周边支 撑。材料均为Q235，网架上弦¢73*4钢管，下弦 ¢89*4.5，腹杆¢38*3，空心球¢200*6.图纸注明贴角 焊缝厚度7.5mm，焊条规定是T42.
钢结构事故分析及处理
钢结构事故分析及处理钢结构建筑的发展，也是一个国家钢产量、建筑技术发展的象征与标志，钢结构与其他的建筑结构相比，无论是结构的性能，还是使用功能及经济效益，都有较大的优越性，其优点有自重轻、预生成化程度高、钢材的塑性和韧性好、钢结构建筑更富有功能化、能满足超高和大跨度的要求、符合国家“绿色、环保、节能”的环保理念，但钢结构工程也有其弊端，其产生的原因、加固方法也呈多元化，主要影响因素：人员、材料、施工工艺、机械设备、环境因素。
一、钢结构材料引起的缺陷及事故钢结构具有塑性和韧性好、强度高、截面小、重量轻等许多优点。
但由于管理和质量检验等方面的原因，已建钢结构也存在比较多的问题，有些问题甚至反复出现。
实践表明，这些问题的产生大多与材料的选择、检验、使用、维护有关。
1、钢材性能与钢结构工程质量的联系（1）强度，钢材强度达不到要求与工程中调剂代换，钢材在流通领域的多次周转，数据传抄有误、库存混放，厂家生产钢材材质差，使用时质检不严等有关。
（2）塑性，具有良好塑性的钢材，在应力超过屈服强度后能产生显著的塑性（残余）变形而不立即断裂。
（3）韧性，冲击韧性指标是保证动载结构和焊接结构质量的基本指标，因为经常承受动力荷载的结构发生脆断的可能性打，而对于焊接结构，由于刚性较打，焊接残余应力也较大，焊缝附近的材质容易变坏，所以更易在动力荷载作用下脆断。
（4）可焊性，施工可焊性好，则在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区均不会产生裂纹，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及缝区的塑性，均不会低于母材的力学性能。
（5）冷弯性能，冷弯性能指钢材在常温下加工生产塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。
它通过冷弯试验确定，良好的冷弯性能是保证钢材冷加工制作质量的先决条件。
（6）耐久性，钢材的耐久性是决定钢结构使用寿命的基本因素。
2、影响钢材性能的因素分析（1）化学成分钢的含碳量小于2%的铁碳合金，碳大于2%时则为铸铁，而碳素结构钢由纯铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99%，碳及杂质元素约占1%。
钢结构的锈蚀事故
6. 海水腐蚀
（1）腐蚀机理 随着海洋事业的发展，海洋中的钢结
构越来越多，但海洋中腐蚀介质复杂，其 机理也复杂。一般来说，主要有盐类腐蚀、 电化学腐蚀、海生物腐蚀等。
（2） 影响因素
① 与海水介质的接触深度；按浸入海水 的深度可分为海泥区、全浸区、潮差 区、飞溅区、海洋大气腐蚀区。飞溅 区金属表面常被海水所润湿，并受到 运动冲击，腐蚀最为严重（如图）。
于杂散电场中，在阳极区即电流通过钢筋 的部位发生的腐蚀。这一现象常发生在电 化学工厂、电冶金车间等，电腐蚀的强弱 与钢材所处阳极电位的高低成正比。
8.3 钢结构锈蚀处理及防腐方法
8.3.1 新建钢结构防锈 一般有涂料敷盖法和金属敷盖法。 涂料敷盖法，即在钢材表面敷盖一层涂料，
使之与大气隔绝，以防锈蚀。主要施工工艺 有：表面除锈、涂底漆、涂面漆。
在高温高压碱水溶液中： 2Fe+4NaOH+4H2O 2Na2FeO4 +6H2
（2）影响因素 温度、压力、pH值和碱金属种类，一般认为
碱金属的原子量越大，腐蚀性越强。
5. 盐类腐蚀
（1）腐蚀机理 改变溶液pH值； 发生氧化还原反应；Fe+CuSO4 FeSO4 +Cu 增加溶液导电性，使电化学腐蚀加剧； 某些盐类的阴阳离子对腐蚀有特殊影响。
(3) 喷砂除锈。在停产和露天结构上可采用喷 砂除锈，它质量可靠、除锈比较彻底。喷 砂是利用空气压缩机将石英砂喷射于钢材 面上除去黑皮和铁锈，也可以用钢砂、钢 丸喷射(投射)于钢材面上，效果更好，且 能减少砂尘弥漫。喷砂除锈质量虽好，但 劳动条件较差。
除锈是涂层防腐的主要一关，处理质量十分关键。
金属敷盖法，即在钢材表面上镀上一层其 他金属。所镀的金属可使钢材与其他介质隔 绝，也可能是镀层金属的电极电位更低于铁， 起到牺性阳极(镀层金属)保护阴极(铁)的作用。
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钢结构脆性破坏案例
钢结构脆性破坏在铆接结构时期就已经有所发生，不过为数不多，因而没有引起人们的重视。
那时多数事故出现在储液罐和高压水管。
例如1925年12月美国一座由软钢制成的直径为357m、高12.8m的油罐，壁厚25mm，当气温由15度骤降至-20度时破坏。
当时油罐装满原油，破坏引起了火灾。
在钢结构焊接逐渐取代铆接的时期，脆性破坏事故增多。
从1938年比利时哈赛尔特发生的全焊空腹桁架桥破坏到1960年止，除船舶外，世界各地至少发生过40起大型焊接结构破坏事故。
赛尔特桥跨长74.5m，在交付使用一年后突然裂成三段坠入阿尔培运河。
破坏由下弦断裂开始，6min后桥即垮下。
当时气温较低，而桥梁只承受较轻的荷载。
该桥用软钢制造，上、下弦为两根工字钢组合焊接的箱形截面，最大厚度56mm，节点板为铸件，裂口有经过焊缝，有的只经过钢板。
继这一事故后，在比利时又发生多起桥梁破坏事故。
焊接的压力容器和油罐，也不乏脆性破坏事故的报告。
例如1952年欧洲有三座直径44吗，高13.7,m 的油罐破坏，当时这些油罐还未使用，气温为-4℃，最大板厚22mm，材料也是软钢。
施工时油罐的焊缝曾从罐内加工凿平，还因矫正变形而对油罐猛烈锤击过。
冷加工和凿痕至少是引起脆性破坏的部分原因。
从破坏的油罐切取带凿痕的试样在0℃进行弯曲试验（有凿痕一侧受拉），折断时没有明显变形，而磨去冷加工部分和凿痕的试件，则弯至45°不出现裂纹。
典型的脆性破坏事故还有20世纪40年代初期美国的一批焊接船舶。
1943年一月一艘游轮在船坞中突然断成两截，当时气温为-5℃，船上只有试航的载重，内力约为最大设计内力的一半。
在以后的10年中，又有二百多艘在第二次世界大战期间建造的焊接船舶破坏。