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钢桥断裂 钢结构断裂概论 断裂力学 钢桥中断裂经常出现的位置及分析 钢结构断裂的预防及其措施 第一章 概论 钢结构脆性破坏在铆接结构时代就已经有所发生，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，美国一座直径为35.7m、高12.8m的油罐，当气温由15℃骤降至-20℃时破坏。当时油罐装满原油，破坏引起了火灾。油罐壁厚25mm,由软钢制成。 在焊接逐渐取代铆接的时期，脆性破坏事故增多。比利时哈塞尔特桥跨长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，6分钟后桥即垮下。当时气温较低，而桥梁只承受较低的荷载。该桥用软钢制造，上、下弦均为两根工字钢组合焊成的箱形截面，最大厚度56mm，节点板为铸件，裂口有的经过焊缝，有的只经过钢板。 据1847年至1975年全世界143座钢桥的破坏统计分析，约占15%断裂破坏不同于一般的过载破坏(即材料由于过量的塑性变形而破坏）。 脆性断裂的特点 自从焊接结构得到广泛应用以来，发现以承受动载为主的焊接结构，在远没有达到设计寿命时就会出现脆性破坏的现象。 钢结构的脆性破坏是其极限状态中最危险的破坏形式之一。它的发生往往很突然，没有明显的塑性变形，而破坏时构件的名义应力很低，一般低于钢材的抗拉强度设计值，有时只有钢材屈服强度的0.2倍。 典型脆性断裂实例 韩国圣水大桥 120m连续钢桁架，1994年10月21日突然断裂，通行车辆全部落入江中，32人死亡。原因是吊杆銷杆连接处，不等厚对接焊接未熔透。 新疆孔雀河大桥是我国西北地区最大的一处拱形钢桥，1998年建成通车。今年4月突然垮塌。原因，由于孔雀河大桥主跨第二根吊杆断裂，造成主跨第三、四、五道矮T梁掉入河中，致使大桥长约10米、宽约12米的路面发生垮塌。 图1 新疆孔雀河大桥 福建武夷山公馆大桥 中承式钢架拱桥，全长301米，宽18米。桥上部结构为3孔中承式悬链线等截面（拱脚处截面加高加厚）钢筋砼箱型无铰拱拱桥。1999年11月20日建成通车的武夷山公馆大桥，2011年7月4日，北端轰然倒塌，一辆正在桥上行驶的旅游大巴车坠入桥下，造成1名驾驶员当场死亡，其余22人受伤。 初步判断事故原因是长期超载造成吊杆“疲劳”断裂，事故车辆成为“压在骆驼身上的最后一根稻草”。事故车辆成为“压在骆驼身上的最后一根稻草”。 福建武夷山公馆大桥倒塌现场 武夷山公馆大桥成功爆破 导致脆性断裂的原因 所用钢材的抗脆性能差 构件的加工制作缺陷 构件的应力集中和应力状态 构件的尺寸 低温和动载（图） 图1 低温对钢材及其构件主要力学指标的影响 焊接结构出现脆性破坏事故比铆接结构频繁，有以下一些原因。 焊缝经常会或多或少存在一些缺陷，如裂纹、欠焊、夹渣和气孔等，这些缺陷能成为断裂的起源。 焊接后结构内部出现残余应力，残余应力未必是破坏的主因，但和其他因素结合在一起，可能会导致断裂。 焊接结构的连接往往有较大刚性，当出现三条相互垂直的焊缝时，材料的塑性变形就很难发展。下图给出三向受拉的焊接区应力一应变关系曲线和原材料应力一应变曲线的对比。 焊接使结构形成连续的整体，一旦裂缝开展，就有可能一断到底，不像在铆接结构中裂缝常在接缝处终止。 为了防止焊接结构的脆性断裂，需要采用质量较高的钢材，这一点在推广焊接结构的初期，还未得到足够的认识。 焊接结构的脆性破坏也有和铆接结构共同之处，那就是经常发生在气温较低的情况。破坏时结构并未超载，表明脆性破坏是钢结构的一种特殊问题，传统的强度计算解决不了这一问题。 钢结构脆性破坏事故的不断发生，除了采用焊接外，还有以下原因:结构比过去复杂，有的使用条件恶劣(如海洋结构)，有的荷载很大，钢材强度和钢板厚度都趋于提高和增大，设计时采用更精细的计算方法并利用材料非弹性性能以尽量降低造价，致使结构的实际安全储备比过去有所降低。这些因素综合在一起，发生脆断的概率就会提高。 应力腐蚀开裂 定义：在腐蚀介质中，应力在很低的情况下，经过一定时期也会出现脆性断裂，也叫滞后断裂或延迟断裂。 原因：构件中原来存在的小裂纹在腐蚀介质中随着时间的增长而逐渐扩展，待达到临界尺寸时，构件就会突然断裂。 应力腐蚀断裂主要发生在高强度材料，高强螺栓在使用过程中就有可能出现延迟断裂的现象。据1974年的调查结果，我国铁路桥梁的高强螺栓十几年期间有五千分之一发生了延迟断裂。 （美）John.W 费希尔 在《钢桥的疲劳与断裂》在书中搜集了从1978到1981年美国20个州和加拿大142座钢桥出现裂纹的资料。