钢结构的脆性断裂事故精选课件.ppt
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1、关于钢结构的脆性断裂事故第一页,本课件共有36页5.1 脆性断裂概念 钢材是一种弹塑性材料,在一定条件下会发生脆性断裂,特征如下:破坏时的应力常小于钢材的屈服强度;破坏之前没有显著变形,吸收能量很小,破坏突然发生,无事故先兆;断口平齐光亮。第二页,本课件共有36页5.2 脆性断裂的原因分析材质缺陷 有害元素:碳,硫,磷,氧,氮,氢等有害元素;应力集中 局部高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数,反映应力集中程度;使用环境 当温度较低,或在250左右时,易发生脆断;钢板厚度 钢板越厚,脆性破坏倾向越大。第三页,本课件共有36页 1.材质缺陷 当钢材中碳、硫、磷、氧、氮、氢等元素的含量过高时,将会
2、严重降低其塑性和韧性,脆性则相应增大。通常,碳导致可焊性差;硫、氧导致“热脆”;磷、氮导致“冷脆”;氢导致“氢脆”。另外,钢材的冶金缺陷,如偏析、非金属夹杂、裂纹以及分层等也将大大降低钢材抗脆性断裂的能力。第四页,本课件共有36页 2应力集中 钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等缺陷不可避免,在荷载作用下,这些部位将产生局部高峰应力而其余部位应力较低且分布不均匀的现象称为应力集中。我们通常把截面高峰应力与平均应力之比称为应力集中系数,以表明应力集中的严重程度。当钢材在某一局部出现应力集中,则出现了同号的二维或三维应力场,使材料不易进入塑性状态,从而导致脆性破坏。应力集中越严重,钢材的塑性降低愈多,
3、同时脆性断裂的危险性也愈大。第五页,本课件共有36页钢结构或构件的应力集中主要与其构造细节有关:(1)在钢构件的设计和制作中,孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变等缺陷在所难免。(2)焊接作为钢结构的主要连接方法,虽然有众多的优点,但不利的是,焊缝缺陷以及残余应力的存在往往成为应力集中源。据资料统计,焊接结构脆性破坏事故远远多于铆接结构和螺栓连接结构。主要有以下原因:焊缝或多或少存在一些缺陷,如裂纹、夹渣气孔、咬肉等这些缺陷将成为断裂源;焊接后结构内部存在的残余应力又分为残余拉应力和残余压应力,前者与其他因素组合作用可能导致开裂;焊接结构的连接往往刚性较大,当出现多焊缝汇交时,材料塑性变形
4、很难发展,脆性增大;焊接使结构形成连续的整体,一旦裂缝开展,就可能一裂到底,不像铆接或螺栓连接,裂缝 一遇螺孔,裂缝就会终止。第六页,本课件共有36页 3.使用环境 当钢结构受到较大的动载作用或者处于较低的环境温度下工作时,钢结构脆性破坏的可能性增大。众所周知,温度对钢材的性能有显著影响。在0以上,当温度升高时,钢材的强度及弹性模量均有变化,一般是强度降低,塑性增大。温度在200以内时,钢材的性能没有多大变化。但在250左右时钢材的抗拉强度反弹,而塑性和冲击韧性下降,出现所谓的“蓝脆现象”,此时进行热加工钢材易发生裂纹。当温度达600,我们认为钢结构几乎完全丧失承载力。当温度在0以下,随温度降
5、低,钢材强度略有提高,而塑性和韧性降低,脆性增大。尤其是当温度下降到某一温度区间时钢材的冲击韧性值急剧下降,出现低温脆断。通常把钢结构在低温下的脆性破坏称为“低温冷脆”现象,产生的裂纹称为“冷裂纹”。因此,在低温下工作的钢结构,特别是受动力荷载作用的钢结构,钢材应具有负温冲击韧性的合格保证,以提高抗低温脆断的能力。第七页,本课件共有36页 4.钢板厚度 随着钢结构向大型化发展,尤其是高层钢结构的兴起,构件钢板的厚度大有增加的趋势。钢板厚度对脆性断裂有较大影响,通常钢板越厚,脆性破坏倾向愈大。“层状撕裂”问题应引起高度重视。第八页,本课件共有36页 综上所述,材质缺陷、应力集中、使用环境以及钢板
6、厚度是影响脆性断裂的主要因素。其中应力集中的影响尤为重要。在此值得一提的是,应力集中一般不影响钢结构的静力极限承载力,在设计时通常不考虑其影响。但在动载作用下,严重的应力集中加上材质缺陷、残余应力、冷却硬化、低温环境等往往是导致脆性断裂的根本原因。第九页,本课件共有36页5.3 脆性断裂的机理分析 断裂力学认为,解答脆性断裂问题必须从结构内部存在微小裂纹的情况出发进行分析。断裂是在侵蚀性环境作用下,裂纹扩展到临界尺寸时发生的。结论,微小裂纹是断裂的发源地;裂纹尺寸、裂纹应力场作用状况和水平以及钢材的断裂韧性是脆断的主要因素。第十页,本课件共有36页5.3 脆性断裂的防止措施 钢结构设计是以钢材
7、屈服强度作为静力强度的设计依据,它避免不了结构的脆性断裂。随着现代钢结构的发展以及高强钢材的大量应用,防止其脆性断裂已显得十分重要。主要从以下几方面入手:合理选择钢材合理设计合理制作和安装合理使用及维修措施第十一页,本课件共有36页1.合理选择钢材 钢材的选用原则是既保证结构安全可靠,同时又要经济合理。应考虑到结构的重要性、荷载特征、连接方法以及工作环境,尤其在低温下承受动载的重要的焊接结构,应选择韧性高的材料和焊条。另外,改进冶炼方法,提高钢材断裂韧性,也是减少脆断的有效途径。我国碳素结构钢已参照国际标准将Q235钢分为A、B、C、D四级,其中,A级:不要求冲击试验;B级:要求+20冲击试验
8、;C级:要求0冲击试验;D级:要求-20冲击试验。对于焊接结构至少应选用Q235B。第十二页,本课件共有36页2.合理设计 合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征、应力集中等因素后,再选择合理的结构型式,尤其是合理的构造细节十分重要。设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度,尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。比如,把结构设计为超静定结构并采用多路径传力可减少脆性断裂的危险;接头或节点的承载力设计应比其相连的杆件强2050;构件断面在满足强度和稳定的前提下应尽量宽而薄。切记:增加构件厚度将增加脆断的危机,尤其是设计焊接结构应避免重叠交叉和焊缝集中。第十三页,本
9、课件共有36页3.合理制作和安装 就钢结构制作而言,冷热加工易使钢材硬化变脆,焊接尤其易产生裂纹、类裂纹缺陷以及焊接残余应力。就安装而言,不合理的工艺容易造成装配残余应力及其他缺陷。因此制定合理的制作安装工艺并以减少缺陷及残余应力为目标是十分重要的。第十四页,本课件共有36页4.合理使用及维修措施 钢结构在使用时应力求满足设计规定的用途、荷载及环境,不得随意变更。此外,还应建立必要的维修措施,监视缺陷或损坏情况,以防患于未然。第十五页,本课件共有36页5.5 典型事故实例分析 钢结构脆性断裂事故在铆接时期已有所发生,直到焊接时期事故大大增加。其事故发生已遍及桥梁、船舶、油罐、液罐、压力容器、钻
10、井平台以及工业厂房等领域,下面列举了几个典型事例。第十六页,本课件共有36页例1 美国纽约铆接钢水塔脆性断裂 1886年10月,美国纽约州长岛的格拉凡森一个大的铆接立柱式钢水塔,在一次静承压力验收实验中,水塔下边25.4mm的厚板突然沿6.1m长的竖向裂缝裂开,裂开部位钢板脆性很大。这是世界上第一次有记录的钢结构脆性断裂破坏事故。第十七页,本课件共有36页例2 屋盖因低温冷脆而倒塌1.工程及事故概况 前苏联某有色金属厂平炉车间的钢结构除吊车梁为铆接外,均为焊接结构。该车间浇筑跨22m,炉子跨27.5m,配料跨18m。第十八页,本课件共有36页 事故发生时首先塌落的是B列第8690行之间的24m
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