钢 结 构 由 !∀ # ∃% &

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,

冷脆研究。

钢结构在低温下脆性破坏研究概述

清华大学 1// /2 3& 王元清 博士后&

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提 要 钢结构构件的脆性破坏是其极限状态中最危险的破坏形式之一,

特别是在低温下 称低温冷脆

现象 &和承受动力荷载时。

本文对国外在低温冷脆现象领域的理论和实脸研究的历史、

现状和发展前景,

并结合我国 自然气候环境、

钢结构应用情况及现行钢结构设计规范,

阐述了在我 国从事该领域研究的必

要性

关键词 低温冷脆 焊接构件 临界温度 破坏强度

< =∋ 4卫< + 】,

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,

9目眼

∋Β Ε# ∀∀ Β ,Σ

金属机械构件 以及建筑钢 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,

这主要是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。

国内外实际工程中钢结构脆性断裂破坏

的事故较多,

例如 1Ω Ξ 2 年 Ξ 月 比利时哈瑟尔

特全焊拱形空腹式钢桥 建于 1Ω ΞΨ 年,

全长

Ζ3 ΣΚ Θ &突然断为 Ξ段,

坠入 阿 尔 贝特 运 河

中 [ 1Ω Κ1 年 1 月,

加拿大魁北克市运河桥整跨

断毁落于冰凉的河床中 [ 1Ω 2/ 年 Ξ 月挪威北

海中的 < ∗ 基亚兰德号海洋平台,

因其撑杆疲

劳裂纹失稳扩展而折断,

导致平台倾覆没人大

海。

在我国,

1Ω ΖΩ 年 1Υ 月吉林发生 了 Κ 个大

气压液化气球罐 爆炸事故 罐直径 ΧΘΣ 钢板

厚1 Κ &,

破坏时温度 为 一 Υ/ ℃ [ 1Ω 2 Ω 年 1月

∀。。‘年第 曦期 总 Υ Σ 期&

6 ∃ ∀Σ

Ω,0 ∃

Σ

Υ Ψ & Ν址#Σ

1 Ω Ω 3

内蒙古某糖厂交工使用不久的废蜜储罐在气

温 一 ∴Σ

Ω ℃ 时发生爆炸,

等等。

低温和其它影响因素的冷脆研究

1Σ

1 低温地区的分布

从以 上破坏实例可以 看出,

钢结构的脆

性破坏通常都是在低温下发生的。

所以习惯

上把低温下的脆性破坏称为低温冷脆现象 ]∀⊥Σ ]Υ⊥。

应 当指出,

这里的低温通常是指低于 一 1Κ ℃

的温度。

这种低温气候大多出现在俄罗斯北

部和西北利亚 最低达 一 Ψ/ ℃ &、

蒙古、

日本

北方、

北欧、

北美和我国的东北、

华北 与青藏

高原等地 区。

表 1 列出我国部分地 区的计算

低 温 不和历 史上 出现 过 的 极端 最 低 温度

天。

表 1 我国部分地区的计算低温 不

和极端最低温度 (_ 值

地地 区区 不不 (___ 地区区 不不 (___ 地区区 不不 (___

北北京京京 一 ΥΖΣ

333 河北北 一 1ΖΖΖ, 1 ,,

青海海 一 ΥΨΨΨ 一3ΥΣ

///5555555555555 ,Σ

111111111

天天津津津 一 ΥΥ,

ΩΩΩ 山西西 一 1ΚΚΚ 3 1 ///

甘’

肃肃 一Υ 111 一Ξ Ψ333ΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣ 一 刁刁刁刁刁

黑黑龙江江 一 Ξ 222 一 ΚΞ ΞΞΞ 内蒙古古 一 Ξ 111 一 3ΩΣ

ΨΨΨ 新疆疆 一 ΥΖΖΖ 一月Ω,

222

吉吉林林 一 ΥΨΨΨ 一 3ΚΣ

/// 陕西西 一 1ΩΩΩ 一 ΞΥΣ

ΖΖΖ 四川川川 一ΞΨ ΞΞΞ

辽辽宁宁 一 Υ ΞΞΞ 一 Ξ2石石 宁夏夏 一 1ΩΩΩ 一 Ξ/Σ

ΨΨΨ 西藏藏藏 一3 Ψ 333

料,

进行了系统分析研究,

并建立了档案卡片叹

日本一些学者针对北部水域船舶的低温脆性

破坏进行了系统研 究。

此外,

美 国、

英国、

加

拿大和北欧的研究人员也从事了这一方面 的

研究。

在我国 Ζ/ 年代初钢结构设计规范编 写

过程中,

也曾进行过钢结构低温冷脆现象的

初步研究工作陈 阵 ]Ω⊥,

由于种种原因这一 领域

的研究工作 以后被 中止过,

造成 目前我 国这

方面研究资料十分缺乏,

只在少数教科 书中

作过概念性介绍4Α⊥。

现在,

随着我国经济 建设

的大规模展开,

在一些气候较寒冷地区 会越

来越多地使用钢结构,

特别是焊接结构,

而

且结构形式、

构件规模、

制作工艺和工作 条件

也愈加复杂,

这就不可避免地将会遇到 许多

低温脆性破坏现象,

上面列举的破坏实例也

正说明这一点。

此外,

开一

展和从事这方 面的

研究,

将有助于对寒冷地 区现行钢结构 可靠

度作出全面的评价。

= +

注 Ν 1Σ

不摘 自《水利水电规范汇编金属结构》[

Υ,

爪引自国家气象局资料。

1 ΣΥ 低温外的其它影响因素

除低温外,

影响钢结构低温 冷脆现象的

因素很多,

且可分冶金、

结构工艺和工作环境

三大 类 ∀Ξ⊥。

其 中最有代 表性 的有以 下 几 方

面 Ν 材料性能、

应力状态及应力集中、

构件尺

寸等。

早在 1 ΩΖ1 年国际焊接学会曾对 Ψ/ 个

焊接构件脆性破坏的实例进行过统计分析叽

总结出各种因素对其脆性破坏发生 的影响程

度。

前苏联境 内大部分地 区处于寒带,

据统

计,

钢结构破坏实例中 Ζ/ ⎯ 表现为脆性。

因

此,

引起了许多学者对钢结构低温冷脆方面

的研究,

并取 得许多成果。

如新西伯利亚建

筑工学院 ∴ ∴ 8 4&钢结构教研室,

从 ΥΥ/ 个项

目中收集了 ΞΚ / 个钢结构脆性破坏的实例资

决决决诊ϑ 卜卜》减龚龚

卞卞卞卞 厂ς 卜卜袱二二αααβ映映映映映映映映映映映映

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∀∀∀∀∀∀∀∀∀∀∀∀∀

( χ℃

图 1 钢及其构件的主要力学参数随温度变化

的特征曲线

< 一 脆性破坏 区 [ = 一 准脆性破坏区 [ + 一 塑性破坏区

Υ 脆性破坏的力学机理及主要理论流派

与其它建筑 材料相 比,

钢具有 高强、

匀

质、

较高的塑性和韧性。

这些特性保证 了钢

结构较好的工作可靠性,

特别是在一些特殊

的工作条件下,

如振动荷载、

低温等。

但是在

低温下钢的力学性能受到影响,

从而使钢构

钢 结 构 ;Α 5∀# ∃% &

Κ 1,

) ) ∗ + 8 0 ∋ ( − . + / 0

件的工作性能受到限制,

其塑性和韧性大为

降低,

发生脆性破坏的可能性也就相 应增加

了。

图 1 给出钢及其构件的主要力学指标 随

温度变化的特征曲线。

从图 1 可以看出,

钢的屈服强度 劝和极

限强度 力是随温度的降低而提高,

而且 万增

大速度比五快,

也沈是说,

钢的塑性随温度降

低而 降低。

当温度降至 几,

则曲线 芳和 工相

交、

此点称零塑性临界温 度。

钢 的冲击 韧性

< ≅

δ& 随温度的降低而降低,

即钢的韧性 随温

度的降低而降低。

而作 为钢构件,

其破坏强

度昧&、

破坏截 面收缩率 哟、

破坏时所释 放

的能量 <Ο

&和破坏截面亮纤维状含量百分比

代&等都随温度的降低而降低。

应该指出,

理

论上 存在钢 的断裂强度 孟&,

其值不随温度

变化。

理想无初始缺陷钢构件脆性破坏 的过程

从物理概念上可分为三个阶段 Ν∀& 裂纹产生

前的准备阶段一一 主要为钢晶格内部的初始

塑性变形 [ Υ& 裂纹的产生—

通常为钢晶格

间损伤的宏观集中表现 [ Ξ& 裂纹向整个构件

截面的横向发展。

当构件含有初始缺陷时,

脆性裂纹的产生变的十分容易,

即发生脆性

破坏的可能性大为提高。

从本世纪 Υ / 年代开始,

世界 上许多学者

致力于脆性破坏领域的研究,

已 取得 了众多

的成果并行成 了许多理论流派,

其 中最有代

表性的有以下 3 个>∀⊥ 姚

价晶格位移理论。

该理论在原子的水平

上研究金属塑性变形和脆性 破坏 的力学规

律,

是唯一具有 良好物理学基础的理论。

但

它只能用于理论研究分析,

不能直接用于工

程实际。

Υ& 经典力学理论。

该理论是 建立在两种

破坏形式的基础上—

塑性剪切 和脆性断

裂。

它能反应塑性破坏和脆性破坏在截面断

口特征上的差异,

并能解释与脆性破坏有 关

的所有现象。

在现阶段此理论的运用最为广

泛。

Ξ& 能量理论。

该理论从能量储存和释放

的观点来解释脆性破坏,

它不考虑裂纹的产

生,

而是在构件含有裂纹的前提下研究其发

展,

并认为裂纹的发展是由储存在其周围的

势能促成的。

虽然在金属结构设计中不允许

裂纹的存在,

但是能量理论及其最活跃的分

支一一 线性破坏力学,

能成功地解决脆性破

坏的有关问题,

并在工程中应用。

3& 统计理论。

该理论于 Ξ/ 年代为解释

构件规模 尺寸 &对破坏的影响而产生的。

它

是建立在所有结构材料 包括钢&非匀质概念

的基础上,

用 统计分析的方法解释脆性破坏

的一些有关现象。

但该理论不能在实际工程

中应用,

有待于完善。

在以上理论中,

金属及其构件中的许多

力学指标被用来作为脆性破坏判断和分析的

参数,

其中包括 图 ∀ 中所列举的物理量。

在

实际工程钢结构构件脆性破坏分析计算中,

最

为代表性的参数有两个 Ν 构件 的破坏强度 不和临界转变温度 双

Ε ,

严格地讲,

钢构件的塑

性破坏和脆性破坏都是相对的,

绝对理想 化

脆性破坏实际上是很难见到的。

而且构件从

塑性到脆性的转变也不是瞬变的,

而是渐变

的。

因此在工程实际上常采用两个临界温度

(Α∀

和 双ΕΥ

。

它们只能通过试验确定。

习惯上

(ΙΕ [

为构件从塑性破坏到准脆性破坏的第 一

临界转变温度 [ 而 (Ι。为构件从准脆性破坏

到脆性破坏 的第二临界转变温度。

这样,

构

件的破坏可分为三个区 Ν 塑性破坏区、

准脆性

破坏区和脆性破坏区 见图 ∀&Σ

Ξ 试验研究及典型低冷脆性结构形式

钢及其构件脆性破坏的试验研究方法是

多种多样的 ]∀⊥。

对 兀Ε,

和 天。 的确定

,

近年来

广为人们所接受的为大尺寸试件的低温拉伸

试验。

这种试件的尺寸与原型的量级相等,

而且较好地模 拟原型 的材料 性质、

结构形

式、

制作工艺和受力特点。

试验通常是在特

制的密封保温箱内进行的。

箱 内借助于干冰

1 Ω Ω 3 年第 3 期 总 Υ Σ 期&

6 ∃ ∀Σ

Ω,

0 ∃Σ

Υ Ψ。∗地Ι

Σ

1 Ω / 3

因体二 软化碳 &、

液氮及其蒸汽 等对试件进 工工艺及工作环境上有很大差别。

不可 能对

行降温,

斗通过辅助设备调测温度Σ

川加载设 每种形式的结构都做大尺寸试件低温拉伸试

备将试件拉断。

由于试件尺寸较 友Σ

浑通拉·

验。

因此有 必要精选 出少数典 型 的结 构 形

伸试验机远 不能胜任,

必须用专 门设置的拉 式,

这些结构形式通常在低温下最易发生脆

伸装置。

性破坏,

故又称低冷脆性结构形 式。

文献【∀⊥

焊接钢结构被广泛地运用于机械制造、

的作者,

通过对大量钢构件破坏实例资料统

工业与民用建筑、

电力工业、

船舶工业、

石油 计分析和许多结构形式的试验研究,

总结 出

工业、

海洋工程、

起重设备、

压力容器、

桥梁和 了 Ψ 种典型的钢结构低冷脆性结构形式 见

高耸建筑中。

而且在用材、

结构形式、

制作加 表 Υ&。

表 Υ 钢结构低冷脆性结构形式

Α.汇 一 一

一一一一

一

尽一一!‘一∀曰一,曰一,‘一,口一一一一八‘一#自二一∃%&

∋((工)∗ ∋州∋司胡习+阿山习&+,−+ ./刁././功+刁勺引0门∋司目编号 1 结构形式

失 效温 度 2℃ 3最低4平均1最高

5 二 6 78 9 :;

< 1岁 =一 8 # 卜6 > 7? 7# 卜≅ 7 76

Α

羹 黑

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一 Α Χ 卜6 8 4 # 黑

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一一一Δ一Ε一一一)一Φ

目一孑

注 Γ ; 一 未 焊实 Η Ι 一 剪 切边 Η ϑ 一 冲孔

Α 临界温度及破坏强度的计算

从表 6 看 出,

这些低冷脆性结构形 式的

共有特点是 Γ 由焊接缺陷引起的高应力集 中

以及由加工引起的区域性硬化和脆化。

钢构

件破坏时的环境温度 比较高,

有时甚至在正

温下,

这主要是低温和其它因素综合影响而

导致 的。

在 此,

值得 强调 的是 构件 尺寸 因

素。

研究表明 −川司,

钢构件的厚度 2Κ 3 对其脆性

破坏的临界转变温度影响很大。

而与其厚度

相 比,

构件的长度和宽度的影响比较小,

在研

究中可不考虑。

文欲15 的作者通过分析大量大尺

寸试件低温拉伸试验结果,

得出以下结论 Γ 对

低碳钢和低合金钢,

当其构件 厚度在 7# 一

Α # Λ 叮Λ 范围内时,

任何一个低冷脆性结构形式

构件的 &ϑΜ Κ与其厚度 Κ成正比

,

即 Γ

&ϑΜ 【Ν < ? Β Κ 2 4 3

式中<、

Β是 计算系数,

其值与材性和结构的

形式有关。

对于 ) 6 Χ8 和 %Ο Π Θ) 钢 2相 当于 我

国 (6 Χ 8 和 7>9 Λ 3的系数 <,

Β 取值 见表 6 所

列。

还有其它确定 &;,

的方式参见文献 Ρ85、

Ρ>5

原则上 不。 的确定可以采用类 似于 兀

7

的试验方法,

但到 目前为止尚缺乏足够的试验

资料。

文献【77 的作者运用脆性破坏经典力学

和应力集 中理论给出 兀Γ 的计算方法

,

已 为

人们所接受,

文献ΡΧ5、

Ρ>5 的作者也提出了 自已

对 天Μ6计算的见解

。

考虑低 温冷脆现象后,

钢结构构件 的破

坏强度弄的确定方法也很多 ΡΣ5,

最典型的是原

苏联钢结构设计 规范 2) Τ −沮 Λ 一 6Χ 一 Υ7 勺

中所采用的方法,

该法规定Γ对于轴心

、

偏心

钢 结 构 ;Α 5 ∀# ∃% &

Κ 1,

) ) ∗ + 8卜石了− . + / 0

受拉构件或受弯构件的拉应力区,

应按下列

公式校核其脆性破坏强度 Ν

‘ Ν

。 ε低八

。

Υ &

式中 。ϑ 为构件中最大的名义拉应力 [

几和儿为钢的计算强度值 通常取极限强度

芳&和相应的安全系数 儿通常取 1Σ

Ξ& [ 刀为 考虑

低温冷脆后强度折减系数 刀ε 1Σ

/&,

其取值与

计算低温、

钢的种类、

构件结构形式和构件厚

度有关。

由规范 + ∴ ∴ ∀∀ 一 ΥΞ 一 21 φ& 列出

表格供设计者使用。

规 范还规定 Ν 当上述公

式不能满足时,

不能加大构件截面,

只能改选

抗低温冷脆较好的钢材或改变结构形式。

因

为加大截面可能会使用构件变厚,

从而使 几

提高 参见公式 1&,

其发生脆性破 坏的可能,

β生增加。

对于该规范的方法,

许多研究者提出了

不同的看法和改进建议。

问题在于该规范方

法没有引人脆性破坏的临界转变温度 (ΙΕ ,

不

能判断构件的抗低温冷脆性和是否要校核其

强度。

另外,

计算中只考虑了钢的强度指标,

而

对与低温冷脆密切相关的塑性和韧性指标考

虑不够。

文献 ]∀⊥、

]Ξ⊥、

]Ψ⊥ 中的改进计算方法,

目前已被工程界接受和采用。

通过对钢结构低温冷脆现象的分析研究

和工程实际经验 的总结,

已形成了一整套防

止和消除钢结构构件在低温下发生脆性破坏

的方法和技术措施、

它们涉及钢结构的设计、

制

作、

运输、

安装、

运行和维修的各个阶段 ]∀⊥ 和

钢材选择、

结构形式、

制作与施工工艺、

强度

的核算和使用与维修等各个方面。

笔者对原

苏 联 现 行 钢 结 构 设 计 规 范 +∴ ∴

11 一 ΥΞ 一 21‘

& 和 加 工 制 作 规 范 +∴ ∴

111 一 12 一 ΖΚ &中有关防止与消除钢结构低温

冷脆的条款进行了分析研究。

在此基 础上,

对我国现行钢结构设计规范 ; =5 1Ζ 一 22& 也

进行了比较研究。

尽管我国规范并未专门考

虑钢结构低温冷脆现象,

但也同样存在一些

类似的条款和规定。

它们对防止和消除钢结构

低温冷脆现象起着积极的作用,

只是还有 待

于完善和改进。

作者在文献 ]Ξ⊥ 中已对此给出

了自己的意见和建议。

参考文献

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ι# ϑ∃∴ Α

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1Ω 2 Ξ, 一# ∀Ξ

网《钢结构设计规范》材料二组低温冷脆组,

我国低温地

区钢结构使用情况及有关钢种使用的初步建议Σ

1ΖΖ ∗之一 ΨΚ

页

]21《钢结构设计规范》材料二组低温冷脆组,

国外低

温地区钢结构使用钢材的一些规定和建议Σ

1Ζ ΖΞΣ Υ,

一 ΨΚ 页

]Ω⊥ 《钢结构设计规忽 材 料二 组低 温 冷 脆 组,

建筑

结构用普碳钢负温试验报告Σ

1ΖΖΞ ΣΞ, 一 Ξ1 页

_卜黔峙名卜‘、站卜+不

封面说明中国民航成都飞机维修工程公司 6 #7 飞机修理库的主厂房屋盖米用了正文正放型钢网架结

构和压型钢板屋面。

网架净跨 7Α #ς,

进深 Υ≅ ς ,

重 67 >≅Κ。

网架下部设有多支点悉挂吊车2起

重能力 7#Κ 3 和 6 台飞机修理鸡2重约 8# #Κ 3。

机库建成后,

可同时停放 6 架波音 ≅Α ≅ 客机或 Χ 架 ≅ Χ≅ 客机进行

维修。

网架米用地面拼装,

整体提升到位,

提升总重 6ΧΥ ∀ Γ 。

图中上下 分别示出提升到位 2 网架下弦标高

6>

咬ς 3 和提升过程中的施工实况。

由水利水电七局成都机场道工程公司负责施工

2肖加罗3

0