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    脆性断裂的机理分析和防止措施

    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。衡阳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,应力强度因子满足下式:
    由公式(5.1)可知,裂纹尺寸a以及抗拉应力。越大,脆性断裂的可能性越大。实际中,钢材并非是无限弹性,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a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,带裂纹的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时,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及Q紧密相关。裂纹的出现及其扩展需要能量,其能量来自拉应力,提供的应变能。对于用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制作的结构。因此,对高强钢材的韧性应要求得更高一些。
    目前,断裂力学已成功地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。
    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fr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》(GB 700-99)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:要求一20℃冲击试验。在此说明一点,对于焊接结构至少应选用Q235 B o
    (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%一50%;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。
    {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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