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5.4 脆性断裂的防止措施
钢结构设计将钢材的屈服强度 fy 当作静力强度设计的依据。在这种设计方式下，结构的脆性断裂是难以避免的。
现代钢结构在发展，高强钢材也被大量采用。在这种情况下，防止其脆性断裂变得十分重要。笔者认为可以从以下几个方面着手：
（1）合理选择钢材
钢材选用通常有一定原则。其一要保证结构安全可靠，其二要做到经济合理且节约钢材。具体来说，需考虑结构的重要性，还有荷载特征，以及连接方法和工作环境等。尤其对于在低温下承受动载的重要焊接结构，应选取韧性高的材料和焊条。另外，通过改进冶炼方法来提高钢材断裂韧性，这也是减少脆断的有效办法。
在此特别说明一点，在焊接结构中至少应该选用 Q235B 钢。
（2）合理的设计
合理的设计需要先考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征以及应力集中等因素，然后再选择合理的结构型式。其中，合理的构造细节尤为重要。在设计过程中，要力求将缺陷引起的应力集中降低到最低限度，并且尽量确保结构的几何连续性以及刚度的连贯性。比如，将结构设计为超静定结构且采用多路径传力，这样能降低脆性断裂的风险。接头或节点的承载力设计，要比相连的杆件强 20%至 50%。在满足强度和稳定的前提下，构件断面应尽量宽且薄。要记住，增加构件厚度会增大脆断的危机，尤其在设计焊接结构时，应避免重叠交叉和焊缝集中。
（3）合理的制作和安装
对于钢结构制作来说，冷热加工会导致钢材硬化变脆，而焊接尤其容易产生裂纹、类似裂纹的缺陷以及焊接残余应力。在安装方面，不合理的工艺容易引发装配残余应力和其他缺陷。所以，制定合理的制作安装工艺并且以减少缺陷和残余应力为目标是非常重要的。
（4）合理的使用及维修措施
钢结构在使用时要努力满足设计规定的用途，要满足设计规定的荷载，还要满足设计规定的环境，不能随意进行变更。同时，应该建立起必要的维修措施，要对缺陷或损坏情况进行监视，以此来防范于未然。
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5.5 典型事故实例
钢结构脆性断裂事故在铆接时期就已经出现了，到了焊接时期，事故的发生数量大幅增加。这些事故发生的领域非常广泛，涵盖了桥梁、船舶、油罐、液罐、压力容器、钻井平台以及工业厂房等。本节按照这个顺序列举了 20 个典型事例。
[事故实例5.1] 美国纽约铆接钢水塔脆性断裂
这是世界上首次有记录的钢结构脆性断裂破坏事故。
[事故实例5.2] 比利时阿尔贝特运河上多座钢桥脆性断裂
第二次世界大战前夕，在比利时的阿尔贝特运河上建造了约五十座钢桥。这些钢桥是全焊接拱形空腹式桁架结构。其材料是比利时 9t42 转炉钢。
（1）其中跨度为48.78m的长里华大桥在-14℃时脆断。
1938 年 3 月，比利时哈瑟尔特有一座全焊拱形空腹式钢桥。一年后交付使用，当一辆电车和几个行人通过这座桥时，它突然断裂成三段，坠入了阿尔贝特运河。这座桥的跨度是 74.5m，上下弦都是由两根工字钢组成的箱形截面，钢板的最大厚度为 56mm钢材脆性破坏与构件，节点板是钢铸件。该桥第一条裂缝起始于下弦，并且伴随着巨响。6 分钟之后，这座桥发生了垮塌。在当时，桥上的荷载是很小的，并且气温比较低，达到了-20℃。
1940 年 1 月 19 日，跨度 60.98m 的亥伦脱尔—奥兰（--oolen）大桥遭到破坏，当时气温为-14℃。大桥上有一条裂缝，其长度达 2.1m，宽度为 25mm。然而，此桥并未坍落。在开裂后的 5 小时，当一列火车通过时，此桥竟然安然无恙。1938 年到 1950 年期间，在比利时有十四座大桥发生了断裂。其中六座桥梁是在负温下因冷脆而断裂的。大部分是在下弦与桥墩支座的连接处断裂的，并且此时应力处于极限状态。大桥断裂的原因主要有以下四点：一是应力集中；二是残余应力；三是低温；四是αk 值太小。
[事故实例5.3] 加拿大杜佩里西斯大桥脆性断裂
1951 年 1 月 31 日，加拿大魁北市的杜佩里西斯全焊接钢板大桥（建于 1947 年）。这座桥其中 6 跨跨度为 54.88m，2 跨跨度 45.73m。在使用 27 个月后，桥的东端发现了裂纹，随后用钢板焊补过。之后整跨脆断落于冰冻的河中，当时气温为-35℃。
[事故实例5.4] 澳大利亚皇帝大桥脆性断裂
澳大利亚的墨尔本有一座皇帝大桥（king），其为焊接腰板梁多跨结构。该桥跨度为 30.49m，梁高 1.52m。在使用了 15 个月之后，1962 年 7 月，当一辆载重 45t 的大卡车驶过其中一跨时，大桥突然遭到破坏，下挠达到 300mm。后来，由于有钢筋砼桥的存在，阻止了它的继续破坏。裂缝起始于加劲板与下翼缘接头处的热影响区，同时也起始于下翼缘盖板母材上。它顺着应力集中区展开，并且顺着构件厚度突然展开，接着不断发展，这种断裂属于脆性断裂。
[事故实例5.5] 中国辽阳太子河桥脆性断裂
我国沈阳至大连的铁路线上，在辽阳附近的太子河桥，其跨度为 33m。1973 年初，大桥桁架的第一根斜拉杆发生断裂。桥架的第二节间下挠达到了 50mm，见图 5.2。
但奇怪的是，在此拉杆断裂之后，竟然先后有十次列车通过了这里，却没有发生事故。之后，立即展开了抢修加固的工作，并且在 1974 年更换了新桥。
[事故实例5.6] 美国一批自由轮脆断沉没
40 年代初期，美国有一批焊接船舶发生了典型的脆性破坏。1943 年 1 月，一艘油轮在船坞中突然断成两截，当时的气温是-5℃。船上当时仅有试航的载重，其内力约为最大设计内力的一半。在之后的 10 年里，又有二百多艘在第二次世界大战期间建造的焊接船舶遭到破坏。
据记载，在此期间美国建造了约 2500 艘自由轮，400 艘胜利轮以及约 500 艘 T—2 油船，这些船均为全焊接船。战争期间焊工缺乏，导致焊接质量低劣。船壳甲板采用方角舱口，形成了缺口，对船只产生了影响。因此，在运行过程中，当遇到-5~+5℃的温度时，不少船只都一裂为二，沉入海底。并且在-5℃中损失的船只比在+5℃气温下要少。这不是说+5℃气温就是危险气温，而是大量船舶愿意在+5℃气温时进行航行。9 艘 T—2 和 7 艘自由轮相继一分为二并沉入海底，这引起了全世界的震动和关注，且大多是在它们服役的第一年发生的，同时远洋以及在寒冷气温中航行的船只的损失数量大约高出 5 倍。所以，冲击应力和低温气候也是导致焊接船只断裂的主要因素。
[事故实例5.7] 英国海船及“世界协和号”油轮脆断沉没
1921 年英国建造了世界上第一艘全焊接海船钢材脆性破坏与构件，其船长为 45.7m。这艘船满意地运行了十六年，到 1937 年时在一次碰撞中沉没了。二次大战后，英国建造了一艘油船“世界协和号”。这艘船使用了两年后，在 1954 年 11 月于爱尔兰海域航行。当时海浪很大，高度约为 4.5 至 6.0 米，海浪温度为 10.5℃。在船的中舱部位，从船底开始出现裂痕，沿着横隔板向船体的横断面蔓延，直至贯穿甲板，导致船一分为二。该船的大部分板件都未能满足缺口韧性的要求。
[事故实例5.8] 美国某油罐脆性断裂
1925 年 12 月，美国有一座油罐。这座油罐由软钢制成，直径为 35.7m，高 12.8m，壁厚 25mm。当气温从 15℃突然下降到 -20℃时，发生了脆性破坏。当时，油罐中装满了原油，这种破坏引发了火灾。
[事故实例5.9] 欧洲三座油罐爆裂
1952 年，欧洲有三座油罐遭到破坏，其直径为 44m，高 13.7m。当时这些油罐尚未投入使用，当时的气温是-4oC，油罐的最大板厚为 22m，材料是软钢。在施工过程中，油罐的焊缝曾从罐内进行加工并凿平，还因为矫正变形而对油罐进行了猛然锤击。冷加工以及凿痕是导致脆性破坏的部分原因。
[事故实例5.10] 英国福莱大油柜试水时脆性断裂
英国福莱市有一个大油柜，它是全焊接的。这个油柜直径为 42.5m，高 16.4m，侧壁内侧是平齐的。1952 年进行试水时，它完全破裂了。其事故经过是：建成之后，在底部第一、二两圈对接焊缝处取样进行检验，试验结果合格，接着将此缺口妥善焊补。当柜内加满水时，该缺口补焊处出现了垂直裂缝，向上延伸了 380mm，向下延伸了 230mm。立刻开始放水，接着在裂缝的上下两端分别钻了一个小孔。24 小时过后，将此裂缝部位全部割除并重新进行了补焊。12 天后再次进行加水试验，当水头开到 14.5m 时，该钢柜瞬间发生爆炸，当时的气温是 4.5oC，并且裂缝依然在补焊的地方。最终，该侧壁整个倾倒下来，平摊在了地上。
[事故实例5.11] 中国吉林液化气球罐爆裂
1979 年 12 月，我国吉林出现了一起事故。这是一个 5 个大气压的液化气球罐发生了爆炸。该球罐的直径为 9 米，钢板厚度是 15 毫米，是在 1977 年制造出来并投入使用的。因为对接焊缝在局部位置没有焊透，使用了将近三年之后，裂纹开始逐渐扩展，最终在-20 摄氏度的时候发生了低温脆断。事后进行检验，发现钢材的含碳量在 0.23 - 0.4%之间，含硫量处于 0.04 - 0.116%的范围。其屈服强度为 191.3N/mm²，极限强度是 402.2N/mm²。尤其值得注意的是，该钢材的冲击韧性很低，并且夹杂物数量很多。
[事故实例5.12] 中国内蒙古废蜜储罐爆裂
1989 年 1 月，刚竣工不久正在使用的废蜜储罐发生了爆裂事故。当时气温为-11.9oC。这个罐的直径是 20m，高度为 15.76m。罐身一共有上下十层。它是由 6 至 18mm 的钢板焊接而成的。其容量为 5600t，当时实际贮存了 4300t，应力还比较低。破坏时整个罐体炸裂成五大部分。上部七层和盖帽甩出后，将距离 25.3m 处糖库的西墙及西南角墙（连续约 27m 范围）砸倒。废蜜罐的冲击力把距离 4m 处 6.5m*6.5m 的二层废蜜泵房夷为平地，楼板等被推出原址约 21.4m。事后调查发现，该起事故是因为一些焊缝严重未焊透且质量差，从而引起裂纹扩展，导致突发低温脆断。
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