钢结构脆性断裂事故

1、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？y ,有时仅为？y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，

2、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

3、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。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的结构。主要有以下原因：（ 1 ）焊缝或多或少存在一些缺陷，如裂纹

4、、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残余应力又分为残余拉应力和残余压应力，前者与其它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，不像钏接或螺栓连接，裂缝一遇螺孔，裂缝将会终止。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，f能有显著影响。在 0oC以上，当温度升高时，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2000c以内时，钢材的性能

5、没有多大变化。但在2500c左右钢材的抗拉强度反弹，？y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600oC, ?丫及E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0oC以下，随温度降低，钢材强度略有提高，而塑性韧性降低，脆性增大。尤 其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， 以提高抗低温脆断的能力。4 .钢板厚度随着钢结构向大型

6、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。5.3 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 不同类型和不同程度的缺陷。比如对接焊缝的

7、未焊透，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K I = Rmt 仃之 K IC（51）则裂纹将失效扩展而造成张开型（I型）断裂。（见图5.1 ） 式中（T一板的拉应力；口 一裂纹尺寸；中心裂纹取宽度的一半；边缘裂纹取全宽度；已一与裂纹形状、板

8、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 一断裂韧性，代表材料抵抗裂纹失稳扩展的能力；-1-二二-*图5.1 裂纹形式8fya由公式（5.1 ）可知，裂纹尺寸 ”以及抗拉应力 d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 系数口稍做修正，公式（5-1）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CODS论）。按此理

9、论，当薄板受拉满足条件，陋、Ln sec() _、.c2 fy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（5-2）可知，韧性好的钢材何时断裂也与a , b紧密相关。裂纹的出现及其扩展需要能量，能量来自拉应力b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

10、及钢材的断裂韧性 是脆断的主因等等。5.4 脆性断裂的防止措施钢结构设计是以钢材的屈服强度？y作为静力强度设计依据，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，防止其脆性断裂已显得十分重要。笔者认 为可以从以下几方面入手：（1）合理选择钢材钢材通常选用原则是保证结构安全可靠，同时要经济合理、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GB700-88已参照国际标准将 Q235钢分为A, B, C, D四级：

11、其中A级：不要求冲击 试验；B级：要求+20oC冲击试验；C级：要求0oC冲击试验；D级:要求-20oC冲击试验。在 此说明一点，对于焊接结构至少应选用Q235B。（ 2）合理的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并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尽量宽而薄。切记：增加构件厚度将增加脆断的危

12、机，尤其设计焊接结构应避免重叠交叉和焊缝集中。（ 3）合理的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）合理的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途，荷载及环境，不得随意变更。此外， 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。5.5 典型事故实例钢结构脆性断裂事故在铆接时期已有所发生，直到焊接时期事故大大增加。事故发生已遍及桥梁、船舶、油罐、液罐、压力容器、钻井平台以及工业厂房等

13、领域，本节按此顺序列举了 20 个典型事例。事故实例5.1 美国纽约铆接钢水塔脆性断裂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，在一次静水压力验收实验中，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。事故实例5.2 比利时阿尔贝特运河上多座钢桥脆性断裂第二次世界大战前夕，在比利时的阿尔贝特（ Albert）运河上建造了约五十座全焊接拱形空腹式桁架钢桥。材料为比利时9t42 转炉钢。（1）其中跨度为48.78m的长里华大桥在-14oC时脆断。(2) 1938年3月，比利时哈瑟尔特

14、全焊拱形空腹式钢桥在交付使用一年后，当一辆电车 和几个行人通过时，突然断裂为三段坠入阿尔贝特运河。该桥跨度74.5m,上下弦均为两根工字钢组成的箱形截面，钢板最大厚度56mm,节点板为钢铸件。该桥第一条裂缝由下弦开始并发生巨响，6分钟后垮塌，当时桥上荷载很小，气温较低为-20oC。(3)跨度60.98m的亥伦脱尔 奥兰(Herenthals-oolen)大桥在1940年1月19日破坏， 当时的气温-14oC,其中有一条裂缝长达2.1m,宽为25mm,但此桥未坍落，且在开裂后5小时，当一列火车通过时此桥竟平安无事。据统计自 1938年至1950年在比利时共有十四座大 桥断裂，其中有六座桥梁属负温

15、下冷脆断裂。大部分在下弦与桥墩支座的连接处断裂且应力 处于极限状态。归结大桥断裂的原因主要有四点：应力集中，残余应力，低温和a k值太小。事故实例5.3加拿大杜佩里西斯大桥脆性断裂1951年1月31日，加拿大魁北市的杜佩里西斯( Duplessis)全焊接钢板大桥(建于 1947 年)整跨脆断落于冰冻的河中，当时的气温 -35oCo该桥其中6跨的跨度为54.88m , 2跨的跨 度45.73m,在使用27个月后，桥的东端曾发现裂纹，于是用钢板焊补过。事故实例5.4澳大利亚皇帝大桥脆性断裂澳大利亚的墨尔本(Melbounne)皇帝大桥(king bridge)为焊接腰板梁多跨结构。跨度 30.4

16、9m,梁高1.52m。使用15个月后，1962年7月当一辆载重45t的大卡车驶过其中一跨时 突然破坏，下挠达 300mm,后来由于钢筋碎桥而阻止了它的继续破坏。裂缝起始于加劲板与 下翼缘接头处的热影响区以及下翼缘盖板母材上，顺着应力集中区与构件厚度突然展开，进 而发展，属脆性断裂。事故实例5.5中国辽阳太子河桥脆性断裂我国沈阳至大连的铁路线上在辽阳附近的太子河桥，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达50mm,见图5.2。此处断裂MTfc图5.2太子河桥斜拉杆断裂示意但奇怪的是在此拉杆断裂后竟然还前后通过了十次列车而未发生事故。其后立即抢修加 固，并于19

17、74年换了新桥。事故实例5.6 美国一批自由轮脆断沉没40 年代初期美国一批焊接船舶发生典型的脆性破坏。1943 年 1 月一艘油轮在船坞突然断成两截，当时气温-50Co船上仅有试航的载重，内力约为最大的设计内力的一半。在以后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。据记载， 在此期间美国建造了约2500 艘自由轮，400 艘胜利轮以及约500 艘 T 2 油船均为全焊接船。由于战争期间焊工缺乏造成焊接质量低劣，再加上船壳甲板采用方角舱口形成缺口影响。因此在运行过程中遇到-5+5 oC 时不少船只都一裂为二，沉入海底。在-5oC 中损失的船只比在+5oC气温下要少。这并非+

18、5oC气温是危险气温，只是大量船舶愿意在+5oC气温时 航行。自从9 艘 T 2 和 7 艘自由轮相继一裂为二沉入海底，引起了全世界的震动和关注，大多在其服役的第一年中发生，并且远洋和在寒冷气温中航行的船只的损失数约高出5 倍。因此，冲击应力和低温气候也是促使焊接船只断裂的主要因素。事故实例5.7 英国海船及“世界协和号”油轮脆断沉没世界上第一艘全焊接海船在1921年建于英国，船长 45.7m。满意地运行了十六年，1937年在一次碰撞中沉没。在二次大战后，英国造的一艘32000t 油船 “世界协和号”( world concord )在使用二年后，1954 年 11 月在爱尔兰海域航行时，由于

19、海浪很大，当时海浪高约4.56.0m，海浪温度10.5oC,在船中舱部位，由船底开始裂开，沿横隔板向船体的横断面发展，直到贯 穿甲板，一裂为二。该船大部分板件都不满足缺口韧性要求。事故实例5.8 美国某油罐脆性断裂1925年12月，美国一座由软钢制成的直径35.7m ,高12.8m,壁厚25mm的油罐，当气温由15oC骤降至-20oC时脆性破坏。当时油罐装满原油，破坏引起火灾。事故实例5.9 欧洲三座油罐爆裂1952年，欧洲有三座直径 44m,高13.7m的油罐破坏。当时油罐还未使用，气温为-4oC,最大板厚22m,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 罐猛然锤击

20、过。冷加工和凿痕是引起脆性破坏的部分原因。事故实例5.10 英国福莱大油柜试水时脆性断裂在英国福莱(Fawley)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，24小时后，此裂缝部位全部割除并重新补焊，经 12 天后再加水试验，当水头开到14.5m 时该钢柜即刻爆炸，此时气温4.5oC,裂缝仍在补焊处。最后，该侧壁整个倒下，摊平

21、在地上。事故实例5.11 中国吉林液化气球罐爆裂1979年 12月， 我国吉林发生5个大气压液化气球罐爆炸事故。该罐直径9m， 钢板厚15mm，于 1977 年制造并使用。由于对接焊缝局部未焊透，使用近三年后裂纹逐渐扩展，终于在 -20oC时发生低温脆断。事后检验，钢材含碳量0.23-0.4 % ,含硫量为0.04-0.116 % ,屈服强度为191.3N/mm2,极限强度402.2 N/mm2,尤其是冲击韧性很低，夹杂物很多。事故实例5.12 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-11.9oC时发生爆裂事故，该罐直径20m,高15.76m,罐身共上

22、下十层，由678mm钢板焊成，容量 5600t,当时实贮4300t， 应力尚低。破坏时整个罐体炸裂为五大部分，其中上部七层和盖帽甩出后将相距25.3m处糖库的西墙及西南角墙（连续约长27m 范围） 砸倒， 废蜜罐冲击力将相距4m 处的 6.5m*6.5m二层废蜜泵房夷为平地，楼板等被推出原址约21.4m。 事后调查该起事故也是由于一些焊缝严重未焊透和质量差引起裂纹扩展导致突发低温脆断。事故实例5.13 美国液态天然气双重球壳罐脆性断裂1944年，在美国俄亥俄（ohio）克利夫兰（Cleveland）有三个贮存液态天然气的双重球壳 罐，压力345N/m2,工作温度-162oC,外壳为焊接的平炉低

23、碳钢，内衬一层 910mm厚的软土 垫层，此夹层空间是气密的。其内部为一个焊接的馍合金钢贮气球罐，直径 17.3m o每个球罐 支撑在 12 根柱上。球罐发生了一次严重的脆性断裂事故，造成128 人死亡和680 万美元的损失。经调整和分析后表明，钢材合格，但罐上已有许多原始缺陷。专家认为应该采用奥氏体 不锈钢或非铁合金钢来建造此极低温容器。事故实例5.14 美国波士顿贮糖蜜铆接钢柜脆性断裂1919年1月，美国麻萨诸塞州的波士顿（boston）市，有一个贮糖蜜的挪接钢柜破坏。直 径为27.44m,高15.24m。内贮二百万加仑的糖蜜，断裂时突然发生的，好多碎片被抛出很远距 离。事故实例5.15

24、南非液氨贮罐爆裂1973 年 7 月 13 日，南非波切夫斯特隆的化肥厂，四座容量为50t 的卧式液氨贮罐发生爆炸，30t无水液氨逸出，氨气云造成8人死亡，当时气温约19oC （冬天下午），所有处于爆炸指向方向的人全部死亡，有两人在死亡前爬出一个离爆炸处30m的贮槽并跑了 25m。两辆汽车在穿过浓密的氨气云时发生故障，但滑行到安全区。该起事故是由于蝶形封头的脆性断裂 而引起，具体原因如下：（ 1） 贮罐制成时未做应力消除；（ 2） 钢材由于应变时效脆性增大；（ 3）焊缝修补引起了附加应力而又未做应力消除处理；（ 4）水压试验可能造成进一步的附加应力；（ 5）破坏发生在1973 年 7 月 13

25、 日午后 4 时 15 分，当时在安装操作时可能造成温度波动，使已处于敏感状态的封头发生脆性破坏。事故实例5.16法国核电站大型压力容器的严重断裂（压力容器）1962年，在法国chinon的核电站工程建设中，有一个大型压力容器是由含Mn1.26%和含Mo0.60%的合金钢制成。该压力容器在101.6mm厚钢筒壁上产生了一条严重的裂缝。它起始于环形焊缝的热影响区附近，并发展到母材本体。事故原因是耽搁了消除热应力的热处理工艺，板材的缺口韧性受到损伤。事故实例5.17北海油田“海宝”号海洋钻井平台脆性断裂北海油田“海宝”号海洋钻井平台由长75m,宽27.5m,高3.95m的巨型浮船构成，安装有钻机、

26、井架、减速箱和调节装置。1965年12月27日在气温为3oC时发生井架倒塌和下沉。当时船上有32人，其中19人丧生。到事故发生时，“海宝”号海洋钻机已运转了约1345h。调查发现，事故由连接杆的脆性破坏引起，该杆破坏时的实际应力低于所用钢材的屈服强度。连接杆的上部圆角半径很小，应力集中系数达7.0 ,同时钢材的 Charpy-V型试件的缺口冲击韧性很低。在0oC仅为10.831J,并有粗大的晶粒，所有这些因素导致了连接杆的低温脆性 断裂。当一根或几根连接杆发生这种脆性断裂后，就会产生动载，从而导致整个结构的倒塌。事故实例5.18前苏联某平炉车间屋盖因低温冷脆而倒塌一.工程及事故概况前苏联某有色

27、金属厂平炉车间，车间里的钢结构除吊车梁为挪接外，均为焊接结构。该 车间浇注跨22m,炉子跨27.5m,配料跨18m （图5.3）。34.453 3将：口口工作平台47 , , 14,® ® ®图5.3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8690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、配料跨在第8690行的屋架、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

28、B列托架和跨度为18m的C列托架严重变形，但未塌落。B列托架在发生变形的情况下支撑着炉子跨和浇注跨第84 86 行的屋盖结构。在上述结构坠落的时候，分布在个别柱列（第8690行）的构件被破坏、变形，8号炉子区段的氧气管道也被破坏，屋盖结构砸坏了A52跨的浇注吊车。倒塌的结构和部分损坏厂房的面积为2430m2。平炉车间结构倒塌时，室外气温为-26 oC,风速为7m/s,倒塌地点屋面积雪厚度 08cm,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 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：（ 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，但是用6 个直径为20mm 的螺栓试验。螺栓连接在53 吨力时破坏，相当于10 个螺栓的破坏荷载为88 吨