2010年一級注冊建筑師鋼結構輔導精選(5)

　　三、鋼材的脆性斷裂(冷脆)

　　鋼材在一般情況下是彈塑性材料，但特殊條件下可以轉變?yōu)榇嘈圆牧希蚨摬牡钠茐目蓞^(qū)分為塑性破壞和脆性破壞兩種方式，脆性斷裂只發(fā)生在承受拉伸時。鋼材拉伸時的塑性破壞特征是：

　　( 1 )破壞前有較大的塑性變形，有明顯的頸縮現象，因而易及時發(fā)現，危險性小。

　　( 2 )構件斷裂發(fā)生在應力到達鋼材的抗拉強度 fu 時。

　　脆性破壞特征是：

　　( 1 )破壞前的變形很小，破壞系突然發(fā)生，事先無警告，因而危險性大。

　　( 2 )破壞時的應力常小于鋼材的屈服點fy。

　　( 3 )斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。

　　影響鋼材脆斷的因素主要有下列幾種： ① 鋼材的質量; ② 鋼板的厚度; ③ 加荷的速度; ④ 應力的性質(拉、彎等)和大小; ⑤ 最低使用溫度; ⑥ 連接的方法(焊接); ⑦ 應力集中程度等。

　　鋼材的斷裂，來源于早已存在于鋼材的一些微小裂紋。因此，要防止脆性斷裂，就應盡量設法消除或減少鋼材中的微裂紋。從事故的分析中，還可看到事故都是在低溫下發(fā)生，溫度愈低，愈易脆斷，而且大多數是焊接結構。焊接裂紋是鋼材中存在微裂紋的重要原因。因此對低溫地區(qū)的焊接結構要特別注意。

　　下面列舉防止鋼材脆斷的一些措施：

　　( 1 )對低溫地區(qū)的焊接結構要注意選用質量等級較高的鋼材。如選用對沖擊韌性有較高要求的鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，對鋼的成分特別是碳、硫、磷的含量要嚴格控制;不應采用厚度大的鋼材。此外，如果對鋼材進行冷加工，則應將有冷加工硬化部分的鋼材刨去等。

　　( 2 )對焊接結構特別是低溫地區(qū)，設計時要注意焊縫的正確布置和施焊時注意焊縫的質量。

　　( 3 )力求避免應力集中。當構件的截面發(fā)生急劇改變，則該處將產生應力高峰，此現象稱為應力集中，舉例如下：圖 6 -2 ( a )表示承受均勻拉力的一鋼板當板中部有一圓孔時板內的應力分布情況。在遠離圓孔的截面 1 -1 處，板中應力線基本相互平行，截面上的應力均勻分布，如圖 6 -2 ( b )所示。在通過圓孔中心的截面 2 -2 處，由于截面受到圓孔的削弱而突然改變，截面上的應力不再均勻分布如圖 6 -2 (。)所示，孔邊緣處出現應力高峰。另外，從圖 6 -2 ( a )中的應力線分布可知，在截面 2 -2 附近，由于孔的存在，應力線必須“繞道”而過;在孔邊緣處，應力線較密集因而應力值就較大，同時又因應力線彎曲，在 y 方向將產生分力即拉應力σy，而使孔邊緣附近形成同號平面應力或同號三向應力(厚度較大時)。同號平面應力或三向應力將使鋼材變脆。因而設計時要注意不使截面有突然的改變，特別是在低溫地區(qū)更應如此。在常溫地區(qū)當承受靜力荷載時，應力集中并不顯著影響構件的強度。當應力高峰處的σmax到達屈服點fy后，由于該處鋼材的塑性變形，截面上的應力將產生重分布而使分布趨向均勻。但當各種不利因素集中在一起，如應力集中程度較高，地處低溫地區(qū)及材質又較差時，應力集中就將是造成脆性斷裂的因素之一。

　　( 4 )結構在使用時應避免使其突然受力，要使加荷的速度不致過大。加荷速度愈大，脆斷的可能性也愈大。減小荷載的沖擊和降低應力水平，也是防止鋼材脆性斷裂的一個措施。

　　四、鋼材的層狀撕裂

　　鋼材的層狀撕裂也是一種脆性斷裂，主要發(fā)生在厚板中，是近 30 多年才引起注意的一種鋼材破壞形式。鋼材軋制時，在順軋制方向的材質最強，橫軋制方向略次，而在厚度方向為最差(厚板在厚度方向常起層狀)。當鋼材在厚度方向產生應變而變形又不受約束時，將使板彎曲如圖 6 -3 ( a )所示;當變形受到約束時如厚板連接，就有可能在厚板中產生層狀撕裂，如圖 6 -3 ( b )所示。圖中沿板厚度方向的應變是由于焊縫冷卻時的橫向收縮所引起。

　　要避免層狀撕裂，焊縫的正確布置極為重要。圖 6 -4 給出了由兩塊鋼板組成的兩個角結點的兩種焊縫布置。圖 6 -4 ( a )、(。)的布置形式，易使鋼板產生層狀撕裂。改成圖 6 - 4 ( d )所示的形式后就不易產生層狀撕裂。

　　在高層建筑的梁、柱剛性焊接連接中，在負彎矩產生的拉力作用下，梁上翼緣水平處的 H 形截面柱翼緣厚鋼板上將產生沿厚度方向的拉力作用而易發(fā)生層狀撕裂。在此情況下，當鋼板厚度大于 40mm 時，宜采用在厚度方向有抗層狀撕裂性能的 Z 向鋼板。這種鋼板的我國國家標準是 《 厚度方向性能鋼板 》 ( GB / T 5313 ) ，適用于厚度為 15- 150mm、屈服點不大于 500N / mm2 的鎮(zhèn)靜鋼鋼板。鋼板的抗層狀撕裂性能采用厚度方向的拉力試驗的斷面收縮率大小來評定。

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