1、 CONSTRUCTION AND ARCHITECTURE浅析钢结构脆性断裂和疲劳的防治措施摘 要：本文主要对钢结构脆性断裂和疲劳的问题进行了深入细致的分析，论述了其断裂和疲劳的原因及防治措施，总结出提高和改善钢结构构件疲劳性能的设计、施工等措施，进而更好地避免钢结构构件疲劳破坏。关键词：钢结构；脆性断裂；疲劳1 脆性断裂及其原因分析1.1脆 性 破 坏 的 分 类过载断裂。由于过载，钢材强度不足而导致的断裂。这种断裂破坏发生的速度通常极高（可高达2100m/s），后果极其严重。在钢结构中，过载断裂只出现在高强钢丝束、钢绞线和钢丝绳等脆性材料做成的构件。非过载断裂。塑性很好的钢构件在缺陷、低
2、温等因素影响下突然呈脆性断裂。应力腐蚀断裂。在腐蚀性环境中承受静力或准静力荷载作用的结构，在远低于屈服极限的应力状态下发生的断裂破坏称为应力腐蚀断裂。它是腐蚀和非过载断裂的综合结果。疲劳断裂与腐蚀疲劳断裂。在交变荷载作用下，裂纹的失稳扩展导致的断裂破坏称为疲劳断裂。腐蚀性介质的作用，会对构件的疲劳寿命产生更显著的不利影响。1.2脆 性 断 裂 的 原 因裂纹。断裂力学认为，对脆性断裂必须从机构内部存在微小裂纹的情况出发进行分析。用断裂力学理论 可以 计算裂纹在荷载和侵蚀性介质下的扩展情况；当裂纹扩展到临界尺 寸，脆性断裂即会发生。应力。分析脆性断裂时，应力是构件的实际应力，即应把应力集中和残余
3、应力等因素考虑进去。如果构件中有较严重的应力集中和较大的残余拉应力，则容易引起构件的脆性断裂。构件中的应力集中和残余应力与构件的构造细节和焊缝位置、施工工艺等有关。在设计时应避免焊缝过于集中、构件截面的突然变化以及在施焊时会产生严重约束应力的构造等。材料。影响材料韧度的因素除了化学成分、冶炼方法、浇铸方式、轧钢工艺、焊接工艺之外，还包括钢板厚度、应力状态、工作温度和加荷速率等因素。2 防治措施2.1减 小 尺 寸尽量减小初始裂纹的尺寸，避免在构造处理中形成类似裂纹的间隙。对于焊接结构来说，减小初始裂纹尺寸主要是保证焊缝质量、限制和避免焊接缺陷。加强施焊工艺管理，避免施焊过程中产生裂纹、夹渣和气
4、泡等。2.2正 确 选 择 焊 接 工 艺注意正确选择和制订焊接工艺以减少不利残余应力。焊缝不宜过分集中，尤其避免三条焊缝在空间互相垂直相交，施焊时不宜过强约束，避免产生过大残余应力。正确选择焊接工艺，遵守设计对制造提出的技术要求，以防止造成缺口高峰应力，同时减小焊接残余应力，防止热影响区钢材晶粒组织变粗等。低温下发生低应力的脆断，常与残余应力有关。2.3合 理 设 计进行合理细部构造设计，以缓和应力集中。应力集中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量使结构或构件没有凹角及截面的突然改变，避免产生应力集中。尽量避免采用厚钢板（厚钢板比薄钢板较易脆断）。2.4合 理 选 用 钢 材选择合理的钢材，
5、使其具有足够的韧度。钢材化学成分与钢材脆断能力有关，含碳多的钢材，抗脆断性能有所下降。对于在低温下工作的钢结构，应选择抗低温冲击韧度好的材料，保证负温冲击韧度。3 钢结构的疲劳破坏及预防3.1疲 劳 破 坏钢材在持续反复荷载下，虽然在其应力远低于强度极限，甚至还低于屈服极限的情况下，也会发生破坏，这种“积劳成疾”的现象称为钢材的疲劳。能够导致钢结构疲劳的荷载是动力的或循环性的活荷载，如桥式吊车对吊车梁的作用，车辆对桥梁的作用，海浪对海洋结构的作用，剧烈的地震使结构物反复摇摆等。过去土建钢结构考虑疲劳计算主要是对铁路桥梁，但是，随着焊接结构的发展，疲劳破坏也就有增无减，焊接吊车梁的疲劳破坏时有发
6、生，焊接公路钢桥的疲劳破坏也屡见不鲜。钢材在疲劳破坏之前，并没有明显变形，是一种突然发生的断裂，断口平直。所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。一般说，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展，裂纹的迅速断裂。对于钢结构，实际上只有后两个阶段，因为在钢材生产和结构制造等过程中，不可避免地在结构的某些部位存在着局部微小缺陷，如钢材化学成分的偏析、非金属杂质；非焊接构件表面上的刻痕、轧钢皮的凹凸、轧钢缺陷和分层以及制造时的冲孔、剪边、火焰切割带来的毛边和裂纹；焊接构件中有焊渣侵入的焊缝趾部、存在于焊缝内的气孔、欠焊，这些缺陷都是可能产生裂源的主要部位，这些缺陷（下转第71页）7 CON
7、STRUCTION AND ARCHITECTURE3 施工中常见问题及处理方法针对本工程施工可能遇到石块等地下障碍物、槽壁坍塌事故和转角连接问题，应根据不同的情况采取相应的对策。3.1地 下 障 碍 物当淤泥层中含有少量不成层状分布的砾石或个别较小的块石时，作业影响较小，此时应适当放慢速度，注意观察，以防锯齿损坏。当淤泥层中碰到较大、较厚的微风化石时，首先计划跳过石头位置，从其它位置重新进行开槽施工，石头位置处利用冲孔排桩进行施工衔接，或采取局部开挖重新回填匀质材料，等到沉降密实后再开槽施工。3.2护 壁 坍 塌坍壁会将主杆埋入地下，常需用人工或机械开挖，牵引起吊等方法将主杆拉起，有时因工期
8、、设备条件等原因不得已将主杆切断，重新组装主杆。为防止坍壁，应对土层的组成及地下水位变化等有充分的分析，做好泥浆护壁工作。3.3弯 道 及 端 部当轴线与弯道切线夹角5 时，主机行走可进行逐步调整；当夹角较大时可作“端部”，即折线处理。端部是指一段防渗工程的首尾结合部分。弯道的折线点和封闭圈首尾端的连接常采用以下方法：当槽内土体固结，两侧土体稳定时，可在编织袋内装黏土固定始末端，并使两编织袋结合，当土体稳定性较差、有可能引起坍壁时，应预留510m，并用黏土灌浆或水泥灌浆。4 施工监测为了验证垂直铺塑的实际防渗效果，对施工质量进行有效地检测和运行管理，对防渗进行闭合性检测，对垂直铺塑防渗墙前后水
9、位进行观测。4.1观 测 点 设 置在塑料膜外侧3.5m处均匀埋设9个水位仪，塑料膜内侧相对应位置埋设4个水位仪。4.2观 测 频 率 及 控 制 标 准铺塑施工期间3次/2d，主体施工开始时2次/1d，施工期间当观测值接近控制标准时应每天加测45次，并将观测结果及时上报各参建单位，确保在不同情况时能做好应对措施。5 施工质量控制 5.1成 槽 质 量 控 制孔槽纵向平面轴线偏差不超过10cm，槽孔宽度控制在2040cm。成槽实际挖深超出设计深度8cm左右，一是靠绳量探测，另一方法是测量造槽机杆臂的倾角。为防止坍壁，应控制槽内泥浆比重，根据已建工程的经验，泥浆浓度控制在1.11.3，浓度应控制
10、在沟槽不坍塌为准。5.2塑 膜 铺 设 控 制塑膜质量的控制。一是检查原材料厚度是否满足设计要求，二是检查幅宽是否满足设计允许偏差范围，三是检查其抗折、抗冲破强度是否达到设计要求。塑膜插入深度控制。每隔50m探测一次。5.3孔 槽 回 填回填的土料选用匀质的材料。回填土要及时，当塑膜铺入后及时先回填1m左右，以固定塑膜下端，防止塑膜上浮。应逐层约1m左右采用均质的材料自然落槽，等面层回填材料沉降到稳定并固结到满足设计要求后，再按照设计与上部搭接，避免在沉降时过早搭接导致拉力过大而存在渗漏的隐患。参考文献1 水利水电工程施工质量检验与评定规程(SL176-2007)2 水利水电建设工程验收规程(
11、SL223-2008)3 水利工程建设项目施工监理规范(SL288-2003)（上接第65页）本身就起着类似于微裂纹的作用，故也可称其为“类裂纹”。3.2抗 疲 劳 的 措 施首先，注意疲劳强度和应力循环次数的关系。当应力循环的形式不变，对钢材的疲劳强度与应力循环的次数（疲劳寿命）N有关。根据具体试验可以得出相关的曲线图，纵坐标为疲劳强度，横坐标是相应的反复次数（即测试到疲劳破坏时的反复次数），曲线的渐近线表示应力循环即使反复无穷多次，试件仍然不会破坏，这就是所谓疲劳强度极限。其次，减少应力集中。第一，应该磨去焊接缝的表面部分。如果焊接缝内部没有明显的缺陷，钢结构疲劳的强度可以提高到和母材相同
12、的情况。第二，角焊缝应该打磨焊趾。钢结构焊缝的趾部位经常出现咬边的切口，这样就会有焊渣进入。所以，要想取得更好的效果，就要对角焊缝进行打磨，使截面变化趋于缓和，打磨后的表面不应有明显刻痕。第三，在钢结构的焊接缝及附近金属表层采用喷射金属丸粒或锤击等方法引入残余压应力，是改善钢结构疲劳性能的一个重要方法。残余压应力和锤击造成的冷 工硬化均会使疲劳强度提高，同时，这样通过锤击也使尖锐切口被缓减。再次，产生残余压应力。在钢结构的设计过程中，残余压应力是改善钢结构疲劳的有效方法。在产生残余压应力的过程中，常用的方法是在焊接和近旁金属的表层锤击敲打，以及喷射金属丸粒使金属表层有扩张趋势以形成残余压应力，同时锤击使尖锐的缺口缓减，锤击造成的冷工硬化从而减轻钢结构疲劳。参考文献：1 陈绍番.钢结构设计原理M.北京：科学出版社，1998 2 赵熙元.建筑钢结构设计手册M.北京：冶金工业出版社，20023 雷宏纲.建筑结构常见质量事故分析M.北京：中国建材工业出版社，2001
