如何預(yù)防裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅脆性斷裂事故

1、 脆性斷裂概念

鋼結(jié)構(gòu)是由鋼組成的承重結(jié)構(gòu)，盡管鋼是彈塑性材料。特別是低碳鋼表現(xiàn)出良好的塑性。然而，在一定條件下，由于各種因素的綜合影響，鋼結(jié)構(gòu)也會發(fā)生脆性斷裂。而且經(jīng)常發(fā)生在拉應(yīng)力狀態(tài)下。脆性斷裂是指鋼或鋼結(jié)構(gòu)在低名義應(yīng)力（低于鋼的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度）條件下突然斷裂。

鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂通常具有以下特征：

脆性破壞是鋼結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下最危險的破壞形式。由于脆性斷裂的破裂，常常導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，作為鋼結(jié)構(gòu)的專業(yè)技術(shù)人員，我們應(yīng)該高度重視脆性破壞的嚴(yán)重性并加以預(yù)防。

2、 脆性斷裂原因分析

鋼結(jié)構(gòu)的塑性雖然很好，但仍然會發(fā)生脆性斷裂，這是各種不利因素綜合影響或作用的結(jié)果。主要原因可歸納如下：

1.材料缺陷

當(dāng)鋼中碳、硫、磷、氧、氮、氫等元素含量過高時。這將嚴(yán)重降低其塑性和韌性，脆性也將相應(yīng)增加。通常，碳導(dǎo)致焊接性差；磷和氧導(dǎo)致“熱脆性”；磷和氮導(dǎo)致“冷脆性”；氫導(dǎo)致“氫脆”。此外，鋼的冶金缺陷，如偏析、非金屬夾雜物、裂紋和分層，也將大大降低鋼的抗脆性斷裂能力。

2.應(yīng)力集中

由于孔洞、缺口和截面突變，鋼結(jié)構(gòu)在荷載作用下不可避免。這些部位會產(chǎn)生局部峰值應(yīng)力，而其他部位應(yīng)力較低且分布不均勻，稱為應(yīng)力集中。我們通常稱峰值應(yīng)力與平均應(yīng)力之比為應(yīng)力集中系數(shù)。指示應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度。

當(dāng)鋼的某一部位存在應(yīng)力集中時，會出現(xiàn)一個相同數(shù)目的二維或三維應(yīng)力場，使材料難以進(jìn)入塑性狀態(tài)，導(dǎo)致脆性破壞。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼的塑性降低越多，脆性斷裂的風(fēng)險越大。鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的應(yīng)力集中主要與其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)有關(guān)。

（1） 在鋼構(gòu)件的設(shè)計和制造中，孔洞、凹槽、凹角、缺口、裂縫和截面突變等缺陷是不可避免的。

（2） 焊接作為鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式，有許多優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是焊接缺陷和殘余應(yīng)力往往成為應(yīng)力集中的來源。據(jù)統(tǒng)計，焊接結(jié)構(gòu)的脆性破壞事故遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于鉚接結(jié)構(gòu)和螺栓連接結(jié)構(gòu)。主要原因如下：

① 焊縫中或多或少存在一些缺陷，如裂紋、夾渣、氣孔、咬合等，這些缺陷將成為斷裂的根源；

② 焊接后結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力可分為殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力。前者和其他因素的結(jié)合可能導(dǎo)致開裂；

③ 焊接結(jié)構(gòu)的連接通常是剛性的。當(dāng)多個焊縫相遇時，材料的塑性變形難以發(fā)展，脆性增大；

④ 焊接使結(jié)構(gòu)形成一個連續(xù)的整體。一旦裂紋擴(kuò)展，它可能會裂紋到底。與鉚接或螺栓連接不同，裂紋在遇到螺孔時終止。

3.使用環(huán)境

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)承受較大的動載荷或在較低的環(huán)境溫度下工作時，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的可能性增大。

眾所周知，溫度對鋼的性能有重要影響。當(dāng)溫度升高到0℃以上時，鋼的強(qiáng)度和彈性模量發(fā)生變化，一般強(qiáng)度降低，塑性增加。當(dāng)溫度在200℃以內(nèi)時，鋼的性能變化不大。然而，在250℃左右，鋼的抗拉強(qiáng)度反彈，屈服強(qiáng)度大大提高，塑性和沖擊韌性降低，導(dǎo)致所謂的“藍(lán)脆性”。此時，熱加工鋼容易出現(xiàn)裂紋