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，鋼結構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構脆性導致的問題是十分頻繁的，占據(jù)了我國鋼結構事故中的七成之多，足以見得鋼結構的結構脆性對于整個建筑結構來說是極大的調(diào)整，盡管隨著鋼材科學的發(fā)展，鋼材的結構特性越發(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，都會導致結構崩潰，對建筑整體產(chǎn)生巨大的惡劣影響。

1 幾類常見鋼結構脆性破壞因素

1.1 疲勞破壞

鋼結構疲勞損傷是在反復荷載作用下的結構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，但最終的結構破壞敗是突然的，因此它屬于脆性破壞。

通常影響鋼材疲勞性質的主要原因就是應力幅。通過數(shù)學建模可以將應力幅值和負載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，這種效果會對結構疲勞壽命產(chǎn)生不利影響（見圖1）。

1.2 失穩(wěn)破壞

鋼結構有一個特別顯著的問題，那就是結構是不是穩(wěn)定的。失穩(wěn)破壞是指結構承受力不強、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。如何衡量結構的承載力和穩(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，我國鋼結構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，鋼結構中最為重要的問題就是穩(wěn)定性的問題。

圖1 σ-n曲線

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

再加上鋼結構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，都會導致鋼結構的特性出現(xiàn)偏差，比如結構彎曲、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構的承重能力。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)部結構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構原因，但是過高的碳含量反而會導致鋼結構夠硬卻過脆。而且在軋鋼過程中，一些硫元素等有害元素還會對鋼結構的純度造成影響，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，鋼的韌脆轉變溫度需要低于結構自身設計時候的工作溫度。一般來說鋼材的轉變溫度定值在-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構特性，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構，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，有很多由于鋼材結構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，為了提高設計質量，設計人員，必須結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構才是最安全的，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構，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構特性，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構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構的使用，作出對社會發(fā)展應有的貢獻。

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TU511.3

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