2010年一級(jí)注冊(cè)建筑師鋼結(jié)構(gòu)輔導(dǎo)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(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧?，因而鋼材的破壞可區(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(shí)。鋼材拉伸時(shí)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(xiàn)象，因而易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，危險(xiǎn)性小。

　　( 2 )構(gòu)件斷裂發(fā)生在應(yīng)力到達(dá)鋼材的抗拉強(qiáng)度 fu 時(shí)。

　　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(wú)警告，因而危險(xiǎn)性大。

　　( 2 )破壞時(shí)的應(yīng)力常小于鋼材的屈服點(diǎn)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(zhì)量; ② 鋼板的厚度; ③ 加荷的速度; ④ 應(yīng)力的性質(zhì)(拉、彎等)和大小; ⑤ 最低使用溫度; ⑥ 連接的方法(焊接); ⑦ 應(yīng)力集中程度等。

　　鋼材的斷裂，來(lái)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(yīng)盡量設(shè)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(shù)是焊接結(jié)構(gòu)。焊接裂紋是鋼材中存在微裂紋的重要原因。因此對(duì)低溫地區(qū)的焊接結(jié)構(gòu)要特別注意。

　　下面列舉防止鋼材脆斷的一些措施：

　　( 1 )對(duì)低溫地區(qū)的焊接結(jié)構(gòu)要注意選用質(zhì)量等級(jí)較高的鋼材。如選用對(duì)沖擊韌性有較高要求的鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，對(duì)鋼的成分特別是碳、硫、磷的含量要嚴(yán)格控制;不應(yīng)采用厚度大的鋼材。此外，如果對(duì)鋼材進(jìn)行冷加工，則應(yīng)將有冷加工硬化部分的鋼材刨去等。

　　( 2 )對(duì)焊接結(jié)構(gòu)特別是低溫地區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)要注意焊縫的正確布置和施焊時(shí)注意焊縫的質(zhì)量。

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

　　( 4 )結(jié)構(gòu)在使用時(shí)應(yīng)避免使其突然受力，要使加荷的速度不致過(guò)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(yīng)力水平，也是防止鋼材脆性斷裂的一個(gè)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(shí)，在順軋制方向的材質(zhì)最強(qiáng)，橫軋制方向略次，而在厚度方向?yàn)樽畈?厚板在厚度方向常起層狀)。當(dāng)鋼材在厚度方向產(chǎn)生應(yīng)變而變形又不受約束時(shí)，將使板彎曲如圖 6 -3 ( a )所示;當(dāng)變形受到約束時(shí)如厚板連接，就有可能在厚板中產(chǎn)生層狀撕裂，如圖 6 -3 ( b )所示。圖中沿板厚度方向的應(yīng)變是由于焊縫冷卻時(shí)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(gè)角結(jié)點(diǎn)的兩種焊縫布置。圖 6 -4 ( a )、(。)的布置形式，易使鋼板產(chǎn)生層狀撕裂。改成圖 6 - 4 ( d )所示的形式后就不易產(chǎn)生層狀撕裂。

　　在高層建筑的梁、柱剛性焊接連接中，在負(fù)彎矩產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)鋼板厚度大于 40mm 時(shí)，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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是 《 厚度方向性能鋼板 》 ( GB / T 5313 ) ，適用于厚度為 15- 150mm、屈服點(diǎn)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(yàn)的斷面收縮率大小來(lái)評(píng)定。

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