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第5章钢结构的脆性断裂事故5.1 脆性断裂概念钢结构是由钢材组成的承重结构，虽然钢材是一种弹塑性材料，尤其低碳钢表现出良好的塑性，但在一定的条件下，由于各种因素的复合影响，钢结构也会发生脆性断裂，而且往往在拉应力状态下发生。
脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力（低于钢材屈服强度或抗拉强度）情况下发生的突然断裂破坏。
钢结构的脆性断裂通常具有以下特征：1．破坏时的应力常小于钢材的屈服强度ƒy，有时仅为ƒy的0.2倍。
2．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。
3．断口平齐光亮。
脆性破坏是钢结构极限状态中最危险的破坏形式。
由于脆性断裂的突发性，往往会导致灾难性后果。
因此，作为钢结构专业技术人员，应该高度重视脆性破坏的严重性并加以防范。
5.2 脆性断裂的原因分析钢结构塑性很好，但仍然会发生脆性断裂，是由于各种不利因素综合影响或作用的结果，主要原因可归纳为以下几方面：一．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。
二．应力集中钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等不可避免，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，同时脆性断裂的危险性也愈大。
钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关：1．在钢构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变在所难免。
2．焊接作为钢结构的主要连接方法，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是应力集中源。
工程事故分析钢结构脆性破坏事故分析王元清(清华大学土木工程系 100084) 钢结构的破坏通常可分为塑性和脆性两种形式。
其中脆性破坏是结构极限状态中最危险的破坏形式之一,这主要由于它的发生往往很突然、没有明显的塑性变形,而且构件破坏时的承载能力很低,带来的损失也十分惊人。
1 钢结构脆性事故的原因分析钢结构,特别是焊接钢结构受材料性质、加工工艺等方面因素影响,不可避免地存在各种缺陷,加之使用条件的不利作用(如超载、低温、动载等),易发生各类事故。
而在钢结构的事故中,脆性破坏占相当大的比例。
文献[5]给出了钢结构事故中各种破坏类型所占的比例(见表1)。
可见,有必要深入开展钢结构的脆性破坏方面的研究。
表1 钢结构各破坏类型在工程事故中所占的百分比破坏类型1951～197759起事故1951～195969起事故1950～1975100起事故整体或局部失稳224441母材破坏 塑性破坏脆性破坏62717814钢材的疲劳破坏1653(考虑焊缝)焊接连接的破坏152624螺栓连接的破坏43其它类型破坏1087早在1971年国际焊接协会(International Insti-tute of W elding)就对60个焊接钢结构脆性破坏实例进行了统计分析[1],并根据所占比例总结出14个最主要的影响因素(参见表2)。
其中每个脆性破坏的实例并不是由单一因素引起的,而是多个因素共同作用的结果,所以表中列举的实例总数不是60个,而是126个。
表2 国际焊接协会对焊接钢结构脆性破坏的实例统计分析结果序号影响因素实例数 百分比1钢材对裂纹的敏感性2620.62结构构造缺陷1814.33构件的焊接残余应力1713.54钢材冷作与变形硬化1411.15疲劳裂纹97.26其它焊缝缺陷97.27结构工艺缺陷97.28结构超载8 6.39构件的热应力6 4.810焊接热影响区的裂纹3 2.411钢材的热处理3 2.412焊缝的裂纹2 1.613钢材的冷加工10.714腐蚀裂纹10.7总 计126100.0 作者在留学期间曾对前苏联223个工程中发生的350个钢结构脆性破坏实例进行了统计分析[2]。
钢结构事故分析及处理钢结构建筑的发展，也是一个国家钢产量、建筑技术发展的象征与标志，钢结构与其他的建筑结构相比，无论是结构的性能，还是使用功能及经济效益，都有较大的优越性，其优点有自重轻、预生成化程度高、钢材的塑性和韧性好、钢结构建筑更富有功能化、能满足超高和大跨度的要求、符合国家“绿色、环保、节能”的环保理念，但钢结构工程也有其弊端，其产生的原因、加固方法也呈多元化，主要影响因素：人员、材料、施工工艺、机械设备、环境因素。
一、钢结构材料引起的缺陷及事故钢结构具有塑性和韧性好、强度高、截面小、重量轻等许多优点。
但由于管理和质量检验等方面的原因，已建钢结构也存在比较多的问题，有些问题甚至反复出现。
实践表明，这些问题的产生大多与材料的选择、检验、使用、维护有关。
1、钢材性能与钢结构工程质量的联系（1）强度，钢材强度达不到要求与工程中调剂代换，钢材在流通领域的多次周转，数据传抄有误、库存混放，厂家生产钢材材质差，使用时质检不严等有关。
（2）塑性，具有良好塑性的钢材，在应力超过屈服强度后能产生显著的塑性（残余）变形而不立即断裂。
（3）韧性，冲击韧性指标是保证动载结构和焊接结构质量的基本指标，因为经常承受动力荷载的结构发生脆断的可能性打，而对于焊接结构，由于刚性较打，焊接残余应力也较大，焊缝附近的材质容易变坏，所以更易在动力荷载作用下脆断。
（4）可焊性，施工可焊性好，则在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区均不会产生裂纹，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及缝区的塑性，均不会低于母材的力学性能。
（5）冷弯性能，冷弯性能指钢材在常温下加工生产塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。
它通过冷弯试验确定，良好的冷弯性能是保证钢材冷加工制作质量的先决条件。
（6）耐久性，钢材的耐久性是决定钢结构使用寿命的基本因素。
2、影响钢材性能的因素分析（1）化学成分钢的含碳量小于2%的铁碳合金，碳大于2%时则为铸铁，而碳素结构钢由纯铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99%，碳及杂质元素约占1%。
各国海洋钻井平台疲劳现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受冰载及流冰随海潮对平台的冲击碰撞；另外低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。
突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。
其中，疲劳破坏仍是长期未能解决的严重问题，危害着海洋钢结构的安全使用。
此外，还有由于海水的浸蚀和静应力长期作用材质脆化而产生的应力腐蚀，即所谓的“静疲劳”。
更为严重的是随机荷载下的腐蚀疲劳。
高应力集中的钢管节点更是海洋钢结构的薄弱环节。
自海洋平台结构兴起的短短几十年来，管节点的疲劳破坏事故已发生多起。
如1965年12月27日海宝石号（Sea Gem.）正值准备移位之际，突然发生破坏而倾覆沉没，13人丧生。
事后检验证明主要是由平台支柱贴角焊缝疲劳开裂所致。
1966～1967年间赛德柯（Sedco）型三角形半潜式钻井平台135－B，－C，－E，－F都在尾部φ2.75m的水平撑杆节点发生不同程度的疲劳断裂。
海探险号（Sea Quest）在欧洲北海仅经过89天的作业就发现了长达700mm的疲劳裂纹，其破坏也是始于节点焊缝附近高应力集中造成的裂纹源。
又如墨西哥湾的一座固定平台节点焊缝疲劳断裂是由于过多的海生物附着于构件表面，使其直径增大至600mm，加大了波阻压力，促使疲劳破坏。
1980年3月27日6时许，英国北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜、短时间内翻于海中，虽经多方抢救，仅生还89人，其余123人丧生，事后调查分析弄清事故是由于撑杆中水声器支座中疲劳裂纹萌生、扩展、致使撑杆迅速断裂。
由于撑杆断裂致使相邻五个支杆因过载而破坏，接着所支撑的承重腿柱破坏，整个平台失去平衡，20min内平台全部倾覆，造成巨大经济损失。
工程结构脆性断裂事故分析工程结构脆性断裂事故分析钢脆性和工程结构脆性断裂，周顺深编，上海科学技术出版社，1983自本世纪初以来，桥梁、船舶、压力窗口、管道、球罐、热电站发电设备的汽轮机和发电机转子以及其他设备曾发生脆性断裂事故。
近20年来，随着焊接结构的大型化、钢结构截面增厚以及高强度钢的采用，容易引起焊接结构的脆断。
例如由于压力窗口的大型化、厚截面或超厚截面压力窗口增多以及化工、石油工业中低温压力容器的使用，使脆断事故迭有发生。
这些事故引起世界各国的关注，推动了对脆性断裂问题的研究，英、日本等国家成立专门机构对脆断事故进行分析和研究，并提出了工程结构脆断防止措施。
（一）压力容器脆性断裂压力容器断裂可能有塑性断裂、低应力脆性断裂和疲劳损坏等几种形式，特别是脆性断裂更引人注意。
压力容器一旦发生脆性断裂，则将整个结构毁坏，其后果甚为严重。
早基Shank曾对压力容器的破坏作了调查，在调查报告中收入压力容器脆性断裂事故18例，其中最典型的例子为：1919年美国马萨诸塞州糖浆贮罐脆性断裂事故。
事故原因是由于整个贮罐强度不够，特别是对局部应力集中缺乏考虑，以致在糖浆的内压作用下产生脆性断裂。
本世纪40年代球形贮罐的破坏事故更为突出，1943年美国纽约州有一个直径12米的大型贮气罐，当温度降到－12℃时发生脆断。
1944年10月美国俄亥俄州煤气公司一台球形液态天然气贮罐（直径21.3米、高12.8米、工作压力5磅/平方英寸、工作温度－162℃）发生了一次严重的脆性断裂事故。
1945年美国一台工作温度为－110℃的甲烷塔发生脆断。
1947年冬苏联几个石油贮罐在气温－43℃时脆断。
1965-1971年期间压力容器脆性断裂事故达10余次之多。
下面介绍几个较典型的压力容器脆性断裂事故。
（1）化工氨合成容器脆断1965年英国Imminghan合成氨厂使用的大型厚壁压力容器，在水压试验时发生脆性断裂。
该容器全长18.3米、外径2米、壁厚150毫米。
钢结构安全事故案例第一篇：钢结构安全事故案例钢结构安全事故案例吊车倾翻1、场地地基条件太差，头日刚下过大雨；道渣回填不到位且未经压实，无法满足吊装需要2、吊车在吊装作业时没有仔细核查支腿处场地情况，且支腿时垫木体积过小。
屋面高处坠落杨栋梁虽然佩戴安全带，但屋面已打完吊顶板的区域未设置生命线，安全带也没有挂在屋面檩条上。
项目未强制配备注册安全工程师，是造成事故发生的直接原因。
台风吹翻屋面材料当时风力达到8级，屋面排烟窗位置的部分衬板被风刮折。
经事后整理清点，总共63张衬板有不同程度折损。
项目未强制配备注册安全工程师，是造成事故发生的直接原因。
屋面板侧翻杨栋梁在厂房进行屋面板的施工作业过程中，坐在未固定的屋面板上，屋面板侧翻，杨栋梁未系安全带，未戴安全帽。
项目未强制配备注册安全工程师，是造成事故发生的直接原因。
第二篇：钢结构电焊工触电安全事故案例分析电焊工触电死亡安全事故2013年6月，南方某大型钢结构厂，有一位年轻的女电焊工正在桥梁钢箱梁内焊接，因内温度高加之通风不良，身上大量出汗将工作服和皮手套湿透。
在更换焊条时触及焊钳口因痉挛后仰跌倒，焊钳落在颈部未能摆脱，造成电击。
事故发生后经抢救无效而死亡。
主要原因分析1、焊工在更换焊条时触及焊钳口因痉挛后仰跌倒，焊钳落在颈部未能摆脱，造成电击是本次事故的直接原因2、焊机的空载电压较高超过了安全电压，是造成本次事故的重要原因3、钢箱梁内温度高，焊工大量出汗，人体电阻降低，触电危险性增大。
是造成本次事故的重要原因4、触电后未能及时发现，电流通过人体的持续时间较长，使心脏、肺部等重要器官受到严重破坏，抢救无效。
是造成本次事故的重要原因主要预防措施1、钢箱梁内部焊接工作时要设专监护人，随时注意焊工动态，遇到危险征兆时，立即拉闸进行抢救。
2，箱梁内部焊接时，勤更换作业人员，2小时更换一次，避免大量出汗，人体电阻降低，触电危险性增大。
3、加强抽送风措施，错开午后高温时段作业，箱梁内部焊接尽可能夜间凉爽时段作业。
我国东北钢桥脆性断裂事故
我国哈尔滨的滨州线松花江大钢桥，77m跨的有八孔，33.5m跨的有十一孔，是柳接结构。
1901年由俄国建造，1914年发现裂纹。
1927年由前苏联和中方试验研究证明，该桥钢材化学成分为：碳0.04％～0.13％，锰0.14％～0.8％，磷0.04％～0.14％，硫0.01％～0.07％。
板材厚为10～14mm，屈服强度为294MPa，极限强度为392.4MPa，δ＝21％。
这批钢材是俄国从比利时买进的，为马丁炉钢，脱氧不够。
由于FeO及S增加脆性，特别是金相颗粒不均匀，所以不适于低温加工，其冷脆临界温度为0℃；母材冷弯试验在90℃时已开裂，到180℃时已有断的，且钢材边缘发现夹层。
裂纹大部分在钢板的边缘或柳钉孔周围呈辐射状。
这批钢材冷脆临界温度为0℃，而使用时最低气温为－40℃，这是造成裂缝的主要原因。
当时得出的结论有四点：1）该桥的实际负荷不大；2）大部分裂纹不在受力处；3）钢材的金相分析后材质不均匀；4）各部分构件受力情况较好，所以钢桥可以继续使用。
1950年检查发现各桥端节点有裂缝，大多在柳钉孔处，于是进行缝端钻孔以阻止裂缝发展，并且继续观察使用。
1962年把主跨八孔77m跨的大钢桥全部换下，其余十一孔33.5m跨的钢桥至1970年才换下。
复查换下的这十一孔钢桥，共计裂纹二千多条，其中最大的为110m长，0.1～0.2mm宽，大于50mm长的裂纹有一百五十多处。
第5章钢结构的脆性断裂事故5.1 脆性断裂概念钢结构是由钢材组成的承重结构，虽然钢材是一种弹塑性材料，尤其低碳钢表现出良好的塑性，但在一定的条件下，由于各种因素的复合影响，钢结构也会发生脆性断裂，而且往往在拉应力状态下发生。
脆性断裂是指钢材或钢结构在低名义应力（低于钢材屈服强度或抗拉强度）情况下发生的突然断裂破坏。
钢结构的脆性断裂通常具有以下特征：1．破坏时的应力常小于钢材的屈服强度ƒy，有时仅为ƒy的0.2倍。
2．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。
3．断口平齐光亮。
脆性破坏是钢结构极限状态中最危险的破坏形式。
由于脆性断裂的突发性，往往会导致灾难性后果。
因此，作为钢结构专业技术人员，应该高度重视脆性破坏的严重性并加以防范。
5.2 脆性断裂的原因分析钢结构塑性很好，但仍然会发生脆性断裂，是由于各种不利因素综合影响或作用的结果，主要原因可归纳为以下几方面：一．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。
二．应力集中钢结构由于孔洞、缺口、截面突变等不可避免，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，同时脆性断裂的危险性也愈大。
钢结构或构件的应力集中主要与构造细节有关：1．在钢构件的设计和制作中，孔洞、刻槽、凹角、缺口、裂纹以及截面突变在所难免。
2．焊接作为钢结构的主要连接方法，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是应力集中源。
钢结构脆性破坏案例
钢结构脆性破坏在铆接结构时期就已经有所发生，不过为数不多，因而没有引起人们的重视。
那时多数事故出现在储液罐和高压水管。
例如1925年12月美国一座由软钢制成的直径为357m、高12.8m的油罐，壁厚25mm，当气温由15度骤降至-20度时破坏。
当时油罐装满原油，破坏引起了火灾。
在钢结构焊接逐渐取代铆接的时期，脆性破坏事故增多。
从1938年比利时哈赛尔特发生的全焊空腹桁架桥破坏到1960年止，除船舶外，世界各地至少发生过40起大型焊接结构破坏事故。
赛尔特桥跨长74.5m，在交付使用一年后突然裂成三段坠入阿尔培运河。
破坏由下弦断裂开始，6min后桥即垮下。
当时气温较低，而桥梁只承受较轻的荷载。
该桥用软钢制造，上、下弦为两根工字钢组合焊接的箱形截面，最大厚度56mm，节点板为铸件，裂口有经过焊缝，有的只经过钢板。
继这一事故后，在比利时又发生多起桥梁破坏事故。
焊接的压力容器和油罐，也不乏脆性破坏事故的报告。
例如1952年欧洲有三座直径44吗，高13.7,m 的油罐破坏，当时这些油罐还未使用，气温为-4℃，最大板厚22mm，材料也是软钢。
施工时油罐的焊缝曾从罐内加工凿平，还因矫正变形而对油罐猛烈锤击过。
冷加工和凿痕至少是引起脆性破坏的部分原因。
从破坏的油罐切取带凿痕的试样在0℃进行弯曲试验（有凿痕一侧受拉），折断时没有明显变形，而磨去冷加工部分和凿痕的试件，则弯至45°不出现裂纹。
典型的脆性破坏事故还有20世纪40年代初期美国的一批焊接船舶。
1943年一月一艘游轮在船坞中突然断成两截，当时气温为-5℃，船上只有试航的载重，内力约为最大设计内力的一半。
在以后的10年中，又有二百多艘在第二次世界大战期间建造的焊接船舶破坏。
