建筑鋼材脆性破壞因素及如何解決措施

段秉煜

（青海省建筑建材科學研究院 青海省西寧市 810000）

建筑鋼材脆性破壞因素及如何解決措施

段秉煜

（青海省建筑建材科學研究院 青海省西寧市 810000）

隨著我國建筑行業(yè)的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的使用率也不斷增加，建筑鋼材的消耗量也與日俱增。由于建筑鋼材自身相對其他建筑耗材的優(yōu)勢十分明顯，十分受建筑設計師的喜愛，但是在這種蓬勃發(fā)展的背后，不能否定建筑鋼材的使用仍然有很多問題，其中由于鋼材自身的結(jié)構(gòu)脆性導致的問題是十分頻繁的，占據(jù)了我國鋼結(jié)構(gòu)事故中的七成之多，足以見得鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)脆性對于整個建筑結(jié)構(gòu)來說是極大的調(diào)整，盡管隨著鋼材科學的發(fā)展，鋼材的結(jié)構(gòu)特性越發(fā)穩(wěn)定，但是脆性問題仍然是一個需要面對的問題，本文就在此背景下，對脆性破壞原因進行了一個簡單地分析，并提出了幾點淺顯的解決方法，希望有所幫助。

建筑鋼材；脆性破壞；解決措施

引言

隨著我國建筑發(fā)展，以及新材料的應用，鋼材的使用量仍然呈現(xiàn)高增長與高需求的現(xiàn)象。然而不可否定的是，仍然有很多破壞性因素可能影響鋼材的使用與壽命，不僅是主觀上的設計不當，施工工序錯誤，還是鋼材本身的失穩(wěn)破壞、脆性斷裂，都會導致結(jié)構(gòu)崩潰，對建筑整體產(chǎn)生巨大的惡劣影響。

1 幾類常見鋼結(jié)構(gòu)脆性破壞因素

1.1 疲勞破壞

鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷是在反復荷載作用下的結(jié)構(gòu)或交變載荷作用下繼續(xù)進行的，甚至最終達到臨界尺寸和突然斷裂。與一般的脆性斷裂，疲勞破壞一般從慢速裂紋進行，隨著時間推移以及負荷作用，裂紋擴展緩慢，斷口擴展區(qū)由于在反復沖擊兩側(cè)張力變得光滑，顆粒斷裂斷裂帶。雖然破壞持續(xù)的時間較長，但最終的結(jié)構(gòu)破壞敗是突然的，因此它屬于脆性破壞。

通常影響鋼材疲勞性質(zhì)的主要原因就是應力幅。通過數(shù)學建?？梢詫Ψ岛拓撦d周期進行一個線性相關的坐標確定，應力集中則壽命縮短，應力分散則壽命增長。光滑試樣的疲勞強度顯著高于溝槽試樣，這是因為溝槽試樣的應力集中使得疲勞強度降低，材料的疲勞強度是有限的，交變應力，微裂紋逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，循環(huán)荷載達到一定的次數(shù)，我們削弱了危險段發(fā)生脆性斷裂。在腐蝕介質(zhì)中，隨著時間的延長，小裂紋的組成部分。顯然，這種效果會對結(jié)構(gòu)疲勞壽命產(chǎn)生不利影響（見圖1）。

1.2 失穩(wěn)破壞

鋼結(jié)構(gòu)有一個特別顯著的問題，那就是結(jié)構(gòu)是不是穩(wěn)定的。失穩(wěn)破壞是指結(jié)構(gòu)承受力不強、穩(wěn)定性不夠，在巨大壓力面前變形而導致的毀壞。但是，失穩(wěn)破壞并不容易發(fā)現(xiàn)，在破壞發(fā)生前，只有很小的一點變化，發(fā)生相對比較突然，屬于脆性破壞特征。如何衡量結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性時，不是保證在規(guī)定應力范圍之內(nèi)，而是防止發(fā)生一種不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這種狀況顯然是特殊的。它有自己的特征，當承載的壓力有特別小的變化的時候，應力和應變打破了一定比例的狀態(tài)，應變以難以衡量的數(shù)量增長。出現(xiàn)這種特征的時候就預示著內(nèi)部抵抗能力的坍塌，無論說瞬間截面應力的極限是否已經(jīng)被打破。根據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，我國鋼結(jié)構(gòu)20余年發(fā)生的相關破壞事故中，最主要的元素就是失穩(wěn)破壞，占據(jù)了六成的比例。所以，鋼結(jié)構(gòu)中最為重要的問題就是穩(wěn)定性的問題。

圖1 σ-n曲線

設計師對鋼結(jié)構(gòu)的設計，通常都會采用最理想的構(gòu)建組合，然而在實際施工中很多結(jié)構(gòu)搭配不能達到最優(yōu)化的情況。比如在對網(wǎng)架和桁架結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)搭配的時候，設計師會采用理想球鉸作為銜接構(gòu)成，但是在施工中這種結(jié)構(gòu)結(jié)合是不存在的，無論如何接觸點都是鋼結(jié)構(gòu)，都會有強度壓力，導致不能滿足設計圖紙的要求。

再加上鋼結(jié)構(gòu)在應用到建筑施工的時候，都是提前進行焊接好的，所以在運輸?shù)浆F(xiàn)場中，由于運輸顛簸，以及搬運的時候出現(xiàn)的一些震動，都會導致鋼結(jié)構(gòu)的特性出現(xiàn)偏差，比如結(jié)構(gòu)彎曲、初偏心力有偏差，這些可能肉眼看不出來，但是在施工中就會影響整體結(jié)構(gòu)的承重能力。當然，在實際操作中，用合理的焊接順序，降低焊接殘余應力和殘余變形是非常有效的。此外，軸承的實際情況符合設計方案也有利于減低失穩(wěn)幾率。

1.3 脆性斷裂

脆性斷裂是由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在不同類型和不同形式的裂紋，在荷載和惡劣環(huán)境作用下，裂紋擴展到臨界尺寸，斷裂面粗糙，顏色也是深金屬色。這種斷裂也是突然發(fā)生的，它的本質(zhì)是裂紋存在的尖銳的應力集中，所以也屬于脆性破壞的一種。

鋼的應力集中在雙向或三向拉應力狀態(tài)下，鋼的塑性變形能力很低，容易發(fā)生脆性斷裂。碳是鋼強度的主要結(jié)構(gòu)原因，但是過高的碳含量反而會導致鋼結(jié)構(gòu)夠硬卻過脆。而且在軋鋼過程中，一些硫元素等有害元素還會對鋼結(jié)構(gòu)的純度造成影響，使得鋼材料出現(xiàn)冷脆性開裂。所以說在鋼材料的鍛造時，就已經(jīng)有很多有害元素影響鋼材料的脆性了。鋼的厚度對脆性斷裂有明顯的影響。

1.4 碳含量高的原發(fā)性斷裂

碳是決定鋼材性能的主要元素，因為含碳量的變化直接引起晶體組織的變化。隨著含碳量的增加，鋼的強度和硬度增大，而塑性和韌性降低；當含碳量超過1.0%時，鋼材的強度反而下降。含碳量增大也使鋼的可焊性和耐腐蝕性降低，并增大鋼的冷脆性和時效傾向。所以碳含量過高的情況下，由于材料自身原因也容易導致斷裂現(xiàn)象產(chǎn)生。

2 針對存在破壞性因素的解決措施

2.1 合理的選擇材料

首先，當鋼材在承受動態(tài)強度或超低溫度等一些較為極端的工作環(huán)境下的耐受時，鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度需要低于結(jié)構(gòu)自身設計時候的工作溫度。一般來說鋼材的轉(zhuǎn)變溫度定值在-40℃左右，低于-40℃的時候鋼的脆性增加，所以說，現(xiàn)行的鋼材一般來說都需要在一個高于-40℃的環(huán)境下進行搭建才能保持正常的強度與結(jié)構(gòu)特性，如果低于這個溫度標準鋼材發(fā)生溫度變形，就會出現(xiàn)不可預料的危險。鋼材有很多種類，比如鎮(zhèn)靜鋼鋼錠的選擇，由于其自身非常精細和均勻的化學成分，出現(xiàn)氣泡的可能性低，所以很易于在低溫環(huán)境下使用。不應使用沸騰鋼鋼錠組織不緊湊，更多的泡沫，化學成分不均勻。沸騰鋼鋼錠軋制型鋼的制作工藝與機制，由于往往沿厚度方向分層與離析和鎮(zhèn)靜鋼不一樣，不僅很少夾雜鋼冷點氯含量和脫氧劑硅或鋁合成穩(wěn)定的氯。但在沸騰鋼中，氯是有害于鋼的出現(xiàn)不穩(wěn)定形式，導致低溫脆性斷裂。鋼板的厚度，盡可能使用薄的材料，因為較薄的鋼材，軋制壓力越大，越少，脆性破壞的可能性越小。

2.2 嚴格掌握焊接及加工工藝

鋼筋材料的焊接與加工是很容易出現(xiàn)問題的，通常來說如果需要對問題部位進行修補時，就需要十分注意，不僅要注意更換焊條的時機與焊接時間，還需要避免因為補焊而出現(xiàn)新的問題。畢竟是第二次的程序，所以很可能因為補焊工藝中使用的溫度不夠，導致焊接不牢靠，過快冷卻下來后材料銜接地不好。如果在基板上的焊接火花飛濺或出現(xiàn)鋼電極的情況，是錯誤的。這種情況會使得鋼材性質(zhì)變得脆弱。在焊接前要根據(jù)焊接的要求對鋼材進行材料鑒定與方法選擇，以防止和不每一個焊接和焊接產(chǎn)生的氣泡現(xiàn)象，如果你要在設計中設置不指定，臨時附加一個地方設置額外的鋼結(jié)構(gòu)，就必須得到通過設計驗證或者得到設計者的許可。

2.3 精心設計

在涉及到建筑鋼材的施工項目中，有很多由于鋼材結(jié)構(gòu)脆性導致施工失敗的教訓，設計師必須要廣開思路，對于各類設計方案與思路進行研究，從中優(yōu)化選擇一個最好的選擇。焊后加工的方法現(xiàn)在來看采用的較多，因為它可用于減少焊接變形，滿足設計要求。對于施工過程，特別是對于焊接，設計師必須熟悉。應該知道，焊接中存在著許多缺陷，主要是在焊接位置較窄，使焊接人員操作困難，為了提高設計質(zhì)量，設計人員，必須結(jié)合施工實際進行狀況進行調(diào)整。

2.4 疲勞破壞的防止

降低缺口和缺口的應力集中。為了減少機械損傷，使其突變部分使其平滑，避免尖銳凹的存在，就需要設計時考慮合理設計焊縫，如采用對接焊和避免角焊縫；焊縫表面處理不合格的地方需要進行二次打磨來提高處理水平，以減少焊接腳的變形形狀，消除裂紋缺陷的表面，或減小其尺寸。應力幅值越小，疲勞壽命越長。因此設計應保證材料的允許應力幅值大于設計應力幅值，并使用應避免超載，應力幅值控制在允許應力范圍內(nèi)。容易腐蝕，我們應該做防腐措施。即使在一般的空氣環(huán)境中，也應進行日常保養(yǎng)。更不用說在油漆環(huán)境以及潮濕環(huán)境或腐蝕性氣體工廠車間，以及海洋這種高腐蝕強度的地方，更要采取適當?shù)姆雷o措施，做到定期檢修和保養(yǎng)，出現(xiàn)了裂縫，早期處理，防止其進一步發(fā)展。

2.5 其他注意事項

沒有任何焊接額外零件的主要結(jié)構(gòu)才是最安全的，隨意加焊部件十分容易產(chǎn)生危險。不能隨意懸掛重量，不得任意超負荷使用結(jié)構(gòu)，應注意保養(yǎng)和檢查，及時安裝防銹油，避免沖擊和機械損傷。溫度也十分影響建筑鋼材的結(jié)構(gòu)特性，如果溫度過高或者過低就需要采取措施來進行溫度調(diào)節(jié)。尤其是冬季，要注意保持溫暖。

3 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟水平的發(fā)展，以及建設工程仍然有巨大的市場前景，我國對于建筑鋼材的使用量仍然會保持一個相對居高不下的狀況，在資金與技術的投入下，鋼材質(zhì)量必然會有一個巨大的飛躍，對于自身的脆性改善，以及對于外在危害因素的抵御能力越來越強，對于建筑工程的質(zhì)量也有更高的保障，使用范圍也必將廣泛，然而不可否定的是，仍然有很多破壞性因素可能影響鋼材的使用與壽命，比如設計不當，施工工序錯誤，都會產(chǎn)生隱患。本文僅僅是對于建筑鋼材結(jié)構(gòu)脆性破壞的因素與解決措施進行了一點介紹與說明，希望能促進未來鋼結(jié)構(gòu)的使用，作出對社會發(fā)展應有的貢獻。

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TU511.3

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1004-7344（2016）24-0296-02

2016-8-13