段秉煜

（青海省建筑建材科学研究院 青海省西宁市 810000）

建筑钢材脆性破坏因素及如何解决措施

段秉煜

（青海省建筑建材科学研究院 青海省西宁市 810000）

随着我国建筑行业的迅速发展，钢结构的使用率也不断增加，建筑钢材的消耗量也与日俱增。由于建筑钢材自身相对其他建筑耗材的优势十分明显，十分受建筑设计师的喜爱，但是在这种蓬勃发展的背后，不能否定建筑钢材的使用仍然有很多问题，其中由于钢材自身的结构脆性导致的问题是十分频繁的，占据了我国钢结构事故中的七成之多，足以见得钢结构的结构脆性对于整个建筑结构来说是极大的调整，尽管随着钢材科学的发展，钢材的结构特性越发稳定，但是脆性问题仍然是一个需要面对的问题，本文就在此背景下，对脆性破坏原因进行了一个简单地分析，并提出了几点浅显的解决方法，希望有所帮助。

建筑钢材；脆性破坏；解决措施

引言

随着我国建筑发展，以及新材料的应用，钢材的使用量仍然呈现高增长与高需求的现象。然而不可否定的是，仍然有很多破坏性因素可能影响钢材的使用与寿命，不仅是主观上的设计不当，施工工序错误，还是钢材本身的失稳破坏、脆性断裂，都会导致结构崩溃，对建筑整体产生巨大的恶劣影响。

1 几类常见钢结构脆性破坏因素

1.1 疲劳破坏

钢结构疲劳损伤是在反复荷载作用下的结构或交变载荷作用下继续进行的，甚至最终达到临界尺寸和突然断裂。与一般的脆性断裂，疲劳破坏一般从慢速裂纹进行，随着时间推移以及负荷作用，裂纹扩展缓慢，断口扩展区由于在反复冲击两侧张力变得光滑，颗粒断裂断裂带。虽然破坏持续的时间较长，但最终的结构破坏败是突然的，因此它属于脆性破坏。

通常影响钢材疲劳性质的主要原因就是应力幅。通过数学建模可以将应力幅值和负载周期进行一个线性相关的坐标确定，应力集中则寿命缩短，应力分散则寿命增长。光滑试样的疲劳强度显著高于沟槽试样，这是因为沟槽试样的应力集中使得疲劳强度降低，材料的疲劳强度是有限的，交变应力，微裂纹逐渐发展成宏观裂纹，循环荷载达到一定的次数，我们削弱了危险段发生脆性断裂。在腐蚀介质中，随着时间的延长，小裂纹的组成部分。显然，这种效果会对结构疲劳寿命产生不利影响（见图1）。

1.2 失稳破坏

钢结构有一个特别显著的问题，那就是结构是不是稳定的。失稳破坏是指结构承受力不强、稳定性不够，在巨大压力面前变形而导致的毁坏。但是，失稳破坏并不容易发现，在破坏发生前，只有很小的一点变化，发生相对比较突然，属于脆性破坏特征。如何衡量结构的承载力和稳定性时，不是保证在规定应力范围之内，而是防止发生一种不稳定的平衡状态，这种状况显然是特殊的。它有自己的特征，当承载的压力有特别小的变化的时候，应力和应变打破了一定比例的状态，应变以难以衡量的数量增长。出现这种特征的时候就预示着内部抵抗能力的坍塌，无论说瞬间截面应力的极限是否已经被打破。根据有关数据显示，我国钢结构20余年发生的相关破坏事故中，最主要的元素就是失稳破坏，占据了六成的比例。所以，钢结构中最为重要的问题就是稳定性的问题。

图1 σ-n曲线

设计师对钢结构的设计，通常都会采用最理想的构建组合，然而在实际施工中很多结构搭配不能达到最优化的情况。比如在对网架和桁架结构进行结构搭配的时候，设计师会采用理想球铰作为衔接构成，但是在施工中这种结构结合是不存在的，无论如何接触点都是钢结构，都会有强度压力，导致不能满足设计图纸的要求。

再加上钢结构在应用到建筑施工的时候，都是提前进行焊接好的，所以在运输到现场中，由于运输颠簸，以及搬运的时候出现的一些震动，都会导致钢结构的特性出现偏差，比如结构弯曲、初偏心力有偏差，这些可能肉眼看不出来，但是在施工中就会影响整体结构的承重能力。当然，在实际操作中，用合理的焊接顺序，降低焊接残余应力和残余变形是非常有效的。此外，轴承的实际情况符合设计方案也有利于减低失稳几率。

1.3 脆性断裂

脆性断裂是由于内部结构存在不同类型和不同形式的裂纹，在荷载和恶劣环境作用下，裂纹扩展到临界尺寸，断裂面粗糙，颜色也是深金属色。这种断裂也是突然发生的，它的本质是裂纹存在的尖锐的应力集中，所以也属于脆性破坏的一种。

钢的应力集中在双向或三向拉应力状态下，钢的塑性变形能力很低，容易发生脆性断裂。碳是钢强度的主要结构原因，但是过高的碳含量反而会导致钢结构够硬却过脆。而且在轧钢过程中，一些硫元素等有害元素还会对钢结构的纯度造成影响，使得钢材料出现冷脆性开裂。所以说在钢材料的锻造时，就已经有很多有害元素影响钢材料的脆性了。钢的厚度对脆性断裂有明显的影响。

1.4 碳含量高的原发性断裂

碳是决定钢材性能的主要元素，因为含碳量的变化直接引起晶体组织的变化。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度增大，而塑性和韧性降低；当含碳量超过1.0%时，钢材的强度反而下降。含碳量增大也使钢的可焊性和耐腐蚀性降低，并增大钢的冷脆性和时效倾向。所以碳含量过高的情况下，由于材料自身原因也容易导致断裂现象产生。

2 针对存在破坏性因素的解决措施

2.1 合理的选择材料

首先，当钢材在承受动态强度或超低温度等一些较为极端的工作环境下的耐受时，钢的韧脆转变温度需要低于结构自身设计时候的工作温度。一般来说钢材的转变温度定值在-40℃左右，低于-40℃的时候钢的脆性增加，所以说，现行的钢材一般来说都需要在一个高于-40℃的环境下进行搭建才能保持正常的强度与结构特性，如果低于这个温度标准钢材发生温度变形，就会出现不可预料的危险。钢材有很多种类，比如镇静钢钢锭的选择，由于其自身非常精细和均匀的化学成分，出现气泡的可能性低，所以很易于在低温环境下使用。不应使用沸腾钢钢锭组织不紧凑，更多的泡沫，化学成分不均匀。沸腾钢钢锭轧制型钢的制作工艺与机制，由于往往沿厚度方向分层与离析和镇静钢不一样，不仅很少夹杂钢冷点氯含量和脱氧剂硅或铝合成稳定的氯。但在沸腾钢中，氯是有害于钢的出现不稳定形式，导致低温脆性断裂。钢板的厚度，尽可能使用薄的材料，因为较薄的钢材，轧制压力越大，越少，脆性破坏的可能性越小。

2.2 严格掌握焊接及加工工艺

钢筋材料的焊接与加工是很容易出现问题的，通常来说如果需要对问题部位进行修补时，就需要十分注意，不仅要注意更换焊条的时机与焊接时间，还需要避免因为补焊而出现新的问题。毕竟是第二次的程序，所以很可能因为补焊工艺中使用的温度不够，导致焊接不牢靠，过快冷却下来后材料衔接地不好。如果在基板上的焊接火花飞溅或出现钢电极的情况，是错误的。这种情况会使得钢材性质变得脆弱。在焊接前要根据焊接的要求对钢材进行材料鉴定与方法选择，以防止和不每一个焊接和焊接产生的气泡现象，如果你要在设计中设置不指定，临时附加一个地方设置额外的钢结构，就必须得到通过设计验证或者得到设计者的许可。

2.3 精心设计

在涉及到建筑钢材的施工项目中，有很多由于钢材结构脆性导致施工失败的教训，设计师必须要广开思路，对于各类设计方案与思路进行研究，从中优化选择一个最好的选择。焊后加工的方法现在来看采用的较多，因为它可用于减少焊接变形，满足设计要求。对于施工过程，特别是对于焊接，设计师必须熟悉。应该知道，焊接中存在着许多缺陷，主要是在焊接位置较窄，使焊接人员操作困难，为了提高设计质量，设计人员，必须结合施工实际进行状况进行调整。

2.4 疲劳破坏的防止

降低缺口和缺口的应力集中。为了减少机械损伤，使其突变部分使其平滑，避免尖锐凹的存在，就需要设计时考虑合理设计焊缝，如采用对接焊和避免角焊缝；焊缝表面处理不合格的地方需要进行二次打磨来提高处理水平，以减少焊接脚的变形形状，消除裂纹缺陷的表面，或减小其尺寸。应力幅值越小，疲劳寿命越长。因此设计应保证材料的允许应力幅值大于设计应力幅值，并使用应避免超载，应力幅值控制在允许应力范围内。容易腐蚀，我们应该做防腐措施。即使在一般的空气环境中，也应进行日常保养。更不用说在油漆环境以及潮湿环境或腐蚀性气体工厂车间，以及海洋这种高腐蚀强度的地方，更要采取适当的防护措施，做到定期检修和保养，出现了裂缝，早期处理，防止其进一步发展。

2.5 其他注意事项

没有任何焊接额外零件的主要结构才是最安全的，随意加焊部件十分容易产生危险。不能随意悬挂重量，不得任意超负荷使用结构，应注意保养和检查，及时安装防锈油，避免冲击和机械损伤。温度也十分影响建筑钢材的结构特性，如果温度过高或者过低就需要采取措施来进行温度调节。尤其是冬季，要注意保持温暖。

3 结束语

随着我国经济水平的发展，以及建设工程仍然有巨大的市场前景，我国对于建筑钢材的使用量仍然会保持一个相对居高不下的状况，在资金与技术的投入下，钢材质量必然会有一个巨大的飞跃，对于自身的脆性改善，以及对于外在危害因素的抵御能力越来越强，对于建筑工程的质量也有更高的保障，使用范围也必将广泛，然而不可否定的是，仍然有很多破坏性因素可能影响钢材的使用与寿命，比如设计不当，施工工序错误，都会产生隐患。本文仅仅是对于建筑钢材结构脆性破坏的因素与解决措施进行了一点介绍与说明，希望能促进未来钢结构的使用，作出对社会发展应有的贡献。

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TU511.3

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2016-8-13