钢结构的脆性断裂事故

5.3 脆性断裂的机理分析
断裂力学认为，解答脆性断裂问题必
须从结构内部存在微小裂纹的情况出发
进行分析。断裂是在侵蚀性环境作用下， 裂纹扩展到临界尺寸时发生的。 结论，微小裂纹是断裂的发源地；裂 纹尺寸、裂纹应力场作用状况和水平以
及钢材的断裂韧性是脆断的主要因素。
5.3 脆性断裂的防止措施
钢结构设计是以钢材屈服强度作为静力 强度的设计依据，它避免不了结构的脆性断 裂。随着现代钢结构的发展以及高强钢材的 大量应用，防止其脆性断裂已显得十分重要。 主要从以下几方面入手： • 合理选择钢材 • 合理设计 • 合理制作和安装 • 合理使用及维修措施
此期间，托架上的荷载显然可能有多次超过
事发时的荷载。正如前所述，在出事前数日
刚清扫完车间屋面的灰尘，发生事故时车间 屋面的雪荷载相当小，且小于设计荷载。
(2)进行了检验模拟屋架锚固连接的承载能力
试验，采用6个直径为20mm的螺帷．螺栓连
接在53tf时破坏，相当于10个螺栓的破坏荷载
为88tf左右，超过出事时实际菏载的12％
(3)两端支座垫板向下弯曲，在86行一端弯起
16～18mm，在90行一端一个方向弯起62mm，
弯曲角度事实上是反映了托架坠落在工作场地
支座板阻挠其移动的程度。在螺栓剪断(下弦
无断裂)后，屋架下坠时在90行处屋架端即支
座垫板应该是平的。
(4)90行柱节点金属被端部支座垫板下部边缘
擦伤。擦伤表明了端部支座垫板的移动对柱
1. 合理选择钢材
钢材的选用原则是既保证结构安全可靠，同时又要经济合
理。应考虑到结构的重要性、荷载特征、连接方法以及工作环
境，尤其在低温下承受动载的重要的焊接结构，应选择韧性高 的材料和焊条。另外，改进冶炼方法，提高钢材断裂韧性，也 是减少脆断的有效途径。 我国《碳素结构钢》已参照国际标准将Q235钢分为A、B
1. 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。
2．应力集中
英国福莱市有一个全焊接大油柜，直径42.5m，高16.4m，
侧壁内侧平齐。1952年试水时完全破裂。事故经过如下：建
成后在其底部第一、二两圈对接焊缝上取样检验试验合格， 然后将此缺口妥善焊补。当柜内加满水时，该缺口补焊处出 现垂直裂缝，向上延伸380mm，向下延伸230mm，于是立刻 放水，并在裂缝上下两端处各钻一小孔，24h后，对此裂缝 部位全部割除并重新补焊，经12d后再加水试验，当水头开 到14.5m时该钢柜即刻爆炸，此时气温4.5℃，裂缝仍在补焊
处。最后，该侧壁整个倒下，摊平在地上。
例6 中国内蒙古废蜜储罐爆裂
1989年1月，内蒙古某糖厂竣工后使用不久的废蜜储罐在气 温-11 .9℃时发生爆裂事故。该罐直径20m，高15 .76m，罐身 共上下10层，由6～18mm钢板焊成，容量5600t，当时实贮
钢பைடு நூலகம்构或构件的应力集中主要与其构造细节有关：
(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
等缺陷在所难免。 (2)焊接作为钢结构的主要连接方法，虽然有众多的优点，但不利的是，焊缝 缺陷以及残余应力的存在往往成为应力集中源。据资料统计，焊接结构脆 性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓连接结构。主要有以下原因：①焊缝 或多或少存在一些缺陷，如裂纹、夹渣气孔、咬肉等这些缺陷将成为断裂 源；②焊接后结构内部存在的残余应力又分为残余拉应力和残余压应力， 前者与其他因素组合作用可能导致开裂；③焊接结构的连接往往刚性较大， 当出现多焊缝汇交时，材料塑性变形很难发展，脆性增大；④焊接使结构 形成连续的整体，一旦裂缝开展，就可能一裂到底，不像铆接或螺栓连接， 裂缝 一遇螺孔，裂缝就会终止。
4. 钢板厚度
随着钢结构向大型化发展，尤其是高层钢 结构的兴起，构件钢板的厚度大有增加的趋 势。钢板厚度对脆性断裂有较大影响，通常 钢板越厚，脆性破坏倾向愈大。“层状撕裂”
问题应引起高度重视。
综上所述，材质缺陷、应力集中、使用环境以 及钢板厚度是影响脆性断裂的主要因素。其中应力 集中的影响尤为重要。在此值得一提的是，应力集 中一般不影响钢结构的静力极限承载力，在设计时 通常不考虑其影响。但在动载作用下，严重的应力 集中加上材质缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环 境等往往是导致脆性断裂的根本原因。
、C、D四级，其中，A级：不要求冲击试验；B级：要求+20℃
冲击试验；C级：要求0℃冲击试验；D级：要求-20℃冲击试验 。对于焊接结构至少应选用Q235B。
2. 合理设计 合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温 度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构型式，
尤其是合理的构造细节十分重要。设计时应力求使缺陷引起的
780kgf/cm2；节点板边缘应力为1280kgf/cm2。
(6)断裂杆件和下弦节点连接件在负温下金属的
冲击韧性低，低到0.64kgf/cm2。
同时发现证实下弦提前断裂的事实： (1)断裂的脆性特征，垫板裂面上有清楚的人字形图 案，裂缝分布在下表面及最大的边缘应力区。 (2)在剪断螺栓时螺栓孔边缘没有受挤压的痕迹，在 托架两端钻有同样形状的孔，在同样的连接试件上 拉断后孔边缘有明显的受挤压痕迹。
跨在第86—90行的屋架、钢筋混凝土屋面板以
及墙板全部倒塌。
平炉车间结构倒塌时，室外气温为-26℃，风
速为7m/s，倒塌地点屋面积雪厚度0～8cm，原
料跨屋面积雪层厚度在35cm以内，平炉厂房屋 面实际上没有积灰(出事前数天已清扫了屋面积 灰)。8号平炉区的桥式吊车在出事时位于炉子 跨，在浇注吊车上吊着空罐。
子的腹板产生了紧紧挤压的作用，这只可能 发生在下弦折断后，托架像三铰拱一样产生 横向推力作用的情况下。横推力为170t，如 整个屋架坠落时支座垫板对柱子腹板的挤压 是不可能发生的。
在下弦断裂后，托架将不可避免地下沉．必 然产生托架支座节点的转动，导致螺栓既受拉 又受剪的复杂工作状况，在这种复杂应力下钢 材抗力立即下降。 由此可以得出结论，托架下弦不发生脆性破 坏就不可能发生这次B列托架的倒塌；但在90 行柱没有支托板的情况下托架倒塌的威胁依然 存在。在有支托板的情况下，B列托架下弦的 断裂可能不至于导致车间屋盖的破坏，托架可 像三铰拱一样工作而不坠落。
1886年10月，美国纽约州长岛的格拉凡
森一个大的铆接立柱式钢水塔，在一次静承
压力验收实验中，水塔下边25.4mm的厚板突
然沿6.1m长的竖向裂缝裂开，裂开部位钢板
脆性很大。这是世界上第一次有记录的钢结
构脆性断裂破坏事故。
例2 屋盖因低温冷脆而倒塌
1. 工程及事故概况
前苏联某有色金属厂平炉车间的钢结构除
3. 合理制作和安装
就钢结构制作而言，冷热加工易使钢材
硬化变脆，焊接尤其易产生裂纹、类裂纹缺 陷以及焊接残余应力。就安装而言，不合理 的工艺容易造成装配残余应力及其他缺陷。 因此制定合理的制作安装工艺并以减少缺陷
及残余应力为目标是十分重要的。
4. 合理使用及维修措施
钢结构在使用时应力求满足设计规定的用
和冲击韧性下降，出现所谓的“蓝脆现象”，此时进行热加工钢材易发生裂纹。 当温度达600℃，我们认为钢结构几乎完全丧失承载力。
当温度在0℃以下，随温度降低，钢材强度略有提高，而塑性和韧性降低，
脆性增大。尤其是当温度下降到某一温度区间时．钢材的冲击韧性值急剧下降， 出现低温脆断。通常把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆”现象，产生 的裂纹称为“冷裂纹”。因此，在低温下工作的钢结构，特别是受动力荷载作用 的钢结构，钢材应具有负温冲击韧性的合格保证，以提高抗低温脆断的能力。
(3)在螺栓剪断和随后屋架倒塌的情况下，在 三个螺栓剪断之前，上弦杆(在靠近柱子的节 间)应该弯曲和破坏。上弦杆用这三个螺栓锚 固在柱子上，此处弯矩最大。但上弦杆破坏 时，其弯矩较最大值小30％，这种破坏起源 于脆性，杆件没有任何变形。
(4)事故发生时气温很低，为-26℃，并且持续 时间长。这是自平炉车间施工以来任何一个冬 季所未曾出现过的低温。 (5)下弦节点的工作应力相当高，平均为
钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等缺陷不可避 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。
2. 事故原因分析
事故原因调查最初的结论是：由于实际施工 中，90行柱没有放置技术设计图中规定的支托 板，导致平炉车间主厂房B列第84～90行托架 下弦支座节点螺栓剪切破坏，造成屋盖结构部 分倒塌。 经过进一步调查分析，发现许多足以证明屋 盖倒塌是由于金属冷脆破坏引起的证据，主要 有以下几点：
(1)托架的螺栓已锚固很长时间(超过5年)，在
中、残余应力、低温和冲击韧性值太小。
例4 辽阳太子河桥脆性断裂
我国辽阳太子河桥，跨度33m，1973年初
大桥桁架的第一根斜拉杆断裂，桥架的第二
节间下挠选50mm。
但奇怪的是，在此拉杆断裂后竟然还前后 通过了10次列车而未发生事故。其后立即抢 修加固，并于1974年换了新桥。
例5 福莱大油柜试水时脆性断裂
吊车梁为铆接外，均为焊接结构。该车间浇
筑跨22m，炉子跨27.5m，配料跨18m。
事故发生时首先塌落的是B列第86～90行之 间的24m托架，该托架在90行柱子的一端坠落 在工作平台上，在第86行柱的另一端仍然是在 柱子的支托架上。由于B列托架既支撑炉子跨 和原料跨上的屋盖结构，又支撑B列上部的墙 体，随着托架的破坏，浇注跨、炉子跨、配料