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钢构工程事故案例分析—脆性断裂事故

2019年08月19日 来源: 钢结构 作者:钢结构设计

简介: 脆性断裂概念,钢结构的脆性断裂通常具有的特征,脆性断裂的原因分析......

一、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。尤其是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:

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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。

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二、 脆性断裂的原因分析

虽然钢结构的塑性很好,但仍然会发生脆性断裂,这是由于各种不利因素的综合影响或作用的结果。主要原因可归纳为以下几方面:

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;磷、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

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人塑性状态,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焊接纳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,裂縫就会终止。

3、使用环境

当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时,钢结构脆性破坏的可能性增大。

众所周知,温度对钢材的性能有显著影响。在0℃以上,当温升高时,钢材的强度及弹性模量均有变化,一般是强度降低,塑性增大。温度在200℃以内吋,钢材的性能没有多大变化。但在250℃左右时钢材的抗拉强度反弹,屈服强度有较大提高,而塑性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℃,屈服强度及弹性模量均接近于零,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据下降、出现低温脆断。通常又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,以提高抗低温跪断的能力。

4、钢板厚度

随着钢结构向大型化发展,尤其是高层结构的兴起,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,应力集中一股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。

三、脆性断裂的机理分析

断裂力学的出现,较好的解答了钢结构低应力脆断问题。钢结构或构件的内部总是存在不问类型和不同程度的缺陷。比如对接焊缝的末焊透、角焊缝的咬边、未熔合等。

这些缺陷通常可作为裂纹看待。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。裂纹有大小之分,尤其是尖锐的裂纹使构件受力时处于高度应力集中。裂纹随应力的增大而扩展,起初是稳定的扩展,后来达临界状态。出现失稳扩展而断裂。

按照线弹性断裂力学理论, 当板处于平面应变条件下时, 当应力强度因子

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则裂纹将失效扩展而造成张开型(I 型) 断裂。(见下图)

式中 σ —板的拉应力

α —裂纹尺寸;中心裂纹取宽度的一半;边缘裂纹取全宽度

? —与裂纹形状、 板宽度及构件几何形状、 应力集中造成的应力梯度等因素有关的系数

KIC —断裂韧性, 代表材料抵抗裂纹失稳扩展的能力

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由以上公式可知, 裂纹尺寸 α 以及抗拉应力 σ 越大, 脆性断裂的可能性越大。实际中钢材并非无限弹性,对于强度高而断裂韧性较低的材料,裂纹旁塑性区范围不大, 只要对系数 α 稍做修正, 上述公式便可以使用。但建筑结构所用钢材通常强度不高而韧性较好。带裂纹板件受拉时常常出现较大屈服范围。因此, 需要利用弹塑性断裂力学代替线弹性断裂力学来解决低应力脆断问题。目前可以用来衡量韧性材料抵抗断裂能力的有“裂纹张开位移理论”(即 COD 理论)。按此理论, 当薄板受拉满足条件

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构件即将开裂:公式左端代表裂纹顶端张开位移, 右端则是位移的临界值。由公式可知, 韧性好的钢材何时断裂也与 α ,σ 紧密相关。裂纹的出现及其扩展需要能量, 能量来自拉应力 σ 提供的应变能。对于高强钢材制作的结构, 构件中储存的应变能高,断裂的危险性也就大于用普通钢材的结构。因此,对高强钢材的韧性应要求更高一些。

目前, 断裂力学已成功用于球罐和氧气瓶等高压容器的断裂安全设计, 尚未直接用于建筑结构。但断裂力学在分析脆断破坏机理方面的一些重要概念值得钢结构专业人员借鉴。比如: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因等等。

四、 脆性断裂的防止措施

钢结构设计是以钢材的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采用。防止其脆性断裂己显得十分重要。笔者认为可以从以下几方面入手:

1、合理选择钢材

钢材选用的原则是既保证结构安全可靠, 同时又要经济合理,节约钢材。具体而言:应考虑到结构的重要性、荷载特征、连接方法以及工作环境,尤其是在低温下承受动载的重要的焊接结构,应选择韧性高的材枓和焊条,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、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。

在比说明一点: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、苘载特征、应力集中等因素后。再选挣合理的结构形式,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应力集中减少到最低限度,尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。比如,把结构设计为超静定结构井采用多路径传力可减少脆性断裂的危险,接头或节点的承载力设计应比其相连的杆件强20%-50‰,构件断面在满足强度和稳定的前提下应尽量宽而薄。

切记:增加构件厚度将增加脆断的危机,尤其是设计焊接结构应避免重叠交叉和焊缝集中。

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。

小结

钢结构在使用时应力求满足设计规定的用途、荷载及环境不得随意变更。此外,还应建立必要的维修措施,监视缺陷或损坏情况,以防患于未然。

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钢材脆性断裂断口微观观察

案例

一、工程及事故概况

某有色金属厂平炉车间的钢结构除吊车梁为铆接外,均为焊接结构。该车间浇注跨22m,炉子跨27.5m,配料跨18m。

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出事处平炉车间的剖面(单位:m)

事故发生前首先塌落的是B列第86-90轴之间的24m托架,该托架在90轴柱子的一端坠落在工作平台上,在第86轴柱的另一端仍然是在柱子的支托架上。由于B轴托架既支撑炉子跨和原料跨上的屋盖结构,又支撑B轴上部的墙体,随着托架的破坏,浇注跨、炉子跨、配料跨在第86~90轴的屋架,钢筋混凝土屋面板以及墙板全部倒塌。8号炉子上跨度为36m的B轴托架和跨度为18m的C轴托架严重变形,但未塌落。B轴托架在发生变形的情况下支撑着炉子跨和浇注跨第84-86轴的屋盖结构。在上述结构坠落的时候,分布在个别柱列(第86~90轴)的构件被破坏、变形,8号炉子区段的氧气管道也被破坏,屋益结构砸坏了A~B跨的浇注吊车。倒塌的结构和部分损坏的厂房的面积为2430平方米。

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(出事前数日已清扫了屋面积灰)。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。

二、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轴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轴第84-90轴托架下弦支座节点螺栓剪切破坏造成屋盖结构部分倒塌。

1、经过进一步调查分析,发现许多足以证明厔盖倒場是由于金属冷脆破坏引起的证据,主要有:

  1. 托架的螺栓已锚固很长时间(超过5年),在此期间,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的螺栓,螺栓连接在53t时破坏,相当于10个螺栓的破坏荷载为88t左右,超过出事时实际荷载的12%。

  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。上弦杄用这三个螺栓锚固在柱子上,此处弯矩最大。但上弦杄破坏时,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。它或许是由于塌落结构偶然的冲击造成的。

  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780 kg/cm2;节点板边缘应力为1280kd/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。64 kg/cm2

  7. 在制作星架下弦节点时没有采取结构措施,甚至连防止脆性破坏的必要措施也没有(节点角钢之间的缝隙实际只有0-10mm,按规范要求应不小于50mm)。

2、同时发现证实下弦提前断裂的事实

  1. 脆性特征,垫断裂的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。

  3. 两端支座垫板向下弯曲,在86轴一端弯起16-18 mm,在90轴一端一个方向弯起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轴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170 t,在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。

在下弦断裂的情况下找到了90轴柱子上托架螺栓锚固能力降低的原因。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轴托架的倒塌但在90轴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轴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。

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