一、脆性斷裂概念

鋼結構是由鋼材組成的承重結構，雖然鋼材是一種彈塑性材料．尤其是低碳鋼表現出良好的塑性。但在一定的條件下：由于各種因素的複合影響，鋼結構也會發生脆性斷裂。而且往往在拉應力狀态下發生。脆性斷裂是指鋼材或鋼結構在低名義應力（低于鋼材屈服強度或抗拉度）情況下發生的突然斷裂破壞。 鋼結構的脆性斷裂通常具有以下特征

（1）破壞時的應力常小于鋼材的屈服強度， 有時僅為屈服強度的0.2倍。

（2）破壞之前沒有顯著變形：吸收能量很小。破壞突然發生，無事放先兆。

（3）斷口平齊光亮。

脆性破壞是鋼結構極限狀怎中最危險的破壞形式。 由于脆性斷裂的突發性，往往會導緻災難性後果。因此．作為鋼結構專業技術人員，應該高度重視脆性破壞的嚴重性，并加以防範。

二、 脆性斷裂的原因分析

雖然別結構的塑性很好，但仍然會發生脆性斷裂，這是由于各種不利因素的綜台影響或作用的結果．主要原因可歸納為以下幾方面。

1、 材質缺陷

當鋼材中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素的含量過高時。 将會嚴重降低其塑性和韌性，脆性則相應增大。通常，碳導緻可焊性差；磷、氧導緻。“熱脆”； 磷、氮導緻“冷脆”；氫導緻“氫脆” ，另外鋼材的冶金缺陷，如偏析、非金屬夾雜、裂紋以及分層等也将大大降低鋼材抗脆性斷裂的能力。

2 、應力集中

鋼結構由于孔洞、缺口、截面突變夠缺陷不可避免，在荷載作用下．這些部位将産生局部高峰應力，而其餘部位應力牧較低且分布不均勻的現象稱為應力集中。我們通常把截面高峰應力與平均應力之比稱為應力集中系數．以biao2明應力集中的嚴重程度。

當鋼材在某一局部出現應力集中，則出現了同号的二維或三維應力場．使材料不易進入塑性狀态，從而導緻脆性破壞。應力集中越嚴重、鋼材的塑性降低愈多：同時脆性斷裂的危險性也愈大。鋼結構或構件的應力集中主要與其構造細節有關。

（1）在鋼構件的設計和制作中，孔洞、刻槽．凹角、缺口．裂紋以及截面突變等缺陷在所難免。

（2）焊接作為鋼結構的主要連接方法：雖然有衆多的優點，但不利的是：焊縫缺陷以及殘餘應力的存在往往成為應力集中源。據資料統計，焊接結構脆性破壞事故遠遠多于鉚接結構和螺栓連接結構。主要有以下原因：①焊縫或多或少存在一些缺陷，如裂紋．夾渣、氣孔，咬肉等這些缺陷将成為斷裂源。②焊接後結構内部存在的殘餘應力又分為殘餘拉應力和殘餘壓應力．前者與他因素組合作用可能導緻開裂：③焊接納構的連接往往剛性較大：當出現多焊縫彙交時．材料塑性變形很難發展，脆性增大，④焊接使結構形成連續的整體．一日裂縫開展，就可能一裂到底．不像鉚接或螺栓連接，裂縫一遇螺孔，裂縫就會終止。

3、使用環境

當鋼結構受到較大的動載作用或者處于較低的環境溫度下工作時．鋼結構脆性破壞的可能性增大。

衆所周知：溫度對鋼材的性能有顯著影響 在0℃以上，當溫升高時．鋼材的強度及彈性模量均有變化．一般是強度降低．塑性增大。溫度在200℃以内吋：鋼材的性能沒有多大變化。但在2500℃左右時鋼材的抗拉強度反彈．屈服強度有較大提高，而塑性和沖擊韌性下降：出現所謂的“藍脆現象”，此時進行熱加工鋼材易發生裂紋。當溫度達600℃．屈服強度及彈性模量均接近于零。我們認為鋼結構幾乎完全喪失承載力。

當溫度在0℃以下，随溫度降低，鋼材強度略有提高．而塑性和韌性降低、脆性增大。尤其是當溫度下降到某一溫度區間時 ，鋼材的沖擊韌性值急據下降、出現低溫脆斷。通常又把鋼結構在低溫下的脆性破壞稱為“低溫冷脆“現象，産生的裂紋稱為．“冷裂紋”。因此，在低溫下工作的鋼結構，特别是受動力荷我作用的鋼結構，鋼材應具有負溫沖擊韌性的合格保證，以提高抗低溫跪斷的能力。

4、鋼闆厚度

随着鋼結構向大型化發展，尤其是高層結構的興起．構件鋼闆的厚度大右增加的趨勢。鋼闆厚度對脆性斷裂右較大影響．通常鋼闆越厚，脆性破壞傾向愈大。“層狀撕裂”問題應引起高度重視。

綜上所述：材質缺陷、應力集中、使用環境以及鋼闆厚度是影響脆性斷裂的主要因素。其中應力集中的影響尤為重要。在此值得一提的是，應力集中一股不影響鋼結構的靜力極限承載力。在設計時通常不考慮其影響。但在動載作用下，嚴重的應力集中加上材質缺陷、殘餘應力、冷卻硬化、低溫環境等往往是導緻脆性斷裂的根本原因。

三、脆性斷裂的機理分析

斷裂力學的出現，較好的解答子鋼結構低應力脆斷問題。鋼結構或構件的内部總是存在不問類型和不同程度的缺陷。比如對接焊縫的末焊、角焊縫的咬邊、未熔合等。

這些缺陷通常可作為裂紋看待。斷裂力學認為，解答脆性斷裂問題必須從結構内部存在微小裂紋的情況出發進行分析。斷裂是在侵蝕性環境作用下，裂紋擴展到臨界尺寸時發生的。裂紋有大小之分，尤其是尖銳的裂紋使構件受力時處于高度應力集中。裂紋随應力的增大而擴展，起初是穩定的擴展，後來達臨界狀态．出現失穩擴展而斷裂。

目前．斷裂力學已成功地用于球罐和氧氣瓶等高壓力容器的斷裂安全設計，尚未直接用于建築結構。但斷裂力學在分析脆斷破壞機理方面的一些重要概念值得鋼結構專業人員借鑒。比如，微小裂紋是斷裂的發源地：裂紋尺寸、裂紋應力場作用狀況和水平以及鋼材的斷裂韌性是脆斷的主因等等。

​四、 脆性斷裂的防止措施

鋼結構設計是以鋼材的屈服強度作為靜力強度的設計依據。它避免不了結構的脆性斷裂。随着現代鋼結構的發展以及高強鋼材的大量采用。防止其脆性斷裂己顯得十分重要。筆者認為可以從以下幾方面入手：

（1）合理選擇鋼材

鋼材選用的原則是既保證結構安全可靠， 同時又要經濟合理，節約鋼材。具體而言：應考慮到結構的重要性、荷載特征、連接方法以及工作環境．尤其是在低溫下承受動載的重要的焊接結構，應選擇韌性高的材枓和焊條，另外：改進冶煉方法：提高鋼材斷裂韌性，也是減少脆斷的有效途徑。

我國《碳素結構鋼》已參照國際标準将親35鋼分為A、B、C、D四級，其中：A級．不要求沖擊試驗；B級．要求 20℃沖擊試驗;C級：要求0℃沖擊試驗；D級：要求-20℃沖擊試驗。在比說明一點：對于焊接結構至少應選用Q235B。

（2）合理設計

合理的設計應該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、苘載特征、應力集中等因素後．再選掙合理的結構墼弍，尤其是合理的構造細節十分重娶。設計時應力求使缺陷引起的應力集中減少到最低限度。盡量保證結構的幾何連續性和剛度的連貫性。比如，把結構設計為超靜定結構井采用多路徑傳力可減少脆性斷裂的危險．接頭或節點的承載力設計應比其相連的杆件強20%-50‰．構件斷面在滿足強度和穩定的前提下應盡量寬而薄。切記：增加構件厚度将增加脆斷的危機，尤其是設計焊接結構應避免重疊交叉和焊縫集中。

（3）合理制作和安裝

就鋼結構制作而言：冷熱加工易使鋼材硬化變脆．焊接尤其易産生裂紋、類裂紋缺陷以及焊接殘餘應力。就安裝而言，不合理的工藝容易造成裝配殘餘應力及其他缺陷。因此制定合理的制作安裝工藝并以減少缺陷及殘餘應力為目标是十分重要的。

（4）今理使用及維修措施

鋼結構在使用時應力求滿足設計規定的用途、荷載及環境不得随意變更。此外，還應建立必要的維修措施。 監視缺陷或損壞情況，以防患于未然。

目錄：(更新中)

鋼結構建築事故分析之（一） 材料事故

鋼結構建築事故分析之 （二 ）變形事故

鋼結構建築事故分析（三）脆性斷裂事故

鋼結構建築事故分析（四）疲勞破壞事故

鋼結構建築事故分析（五）失穩事故

鋼結構建築事故分析（六）鏽蝕事故

鋼結構建築事故分析（七）火災事故

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