起重机钢结构脆性破坏的控制与预防

高云

引言：分析了环境温度、应力大小、类型及板厚等影响因素对钢结构脆性破坏的影响，介绍了材料的选择、设计和制造环节如何避免脆性破坏等内容，提出了起重机钢结构脆性破坏的控制与预防措施。

起重机钢结构是承受动力载荷的构件，其特殊性要求在钢结构设计中必须考虑如何避免结构的脆性破坏。因为脆性破坏是在没有过载而通常是在安全载荷下发生的，甚至是在应力水平很低的情况下发生的，其发生是突如其来的，损失也是灾难性的。避免和预防脆性破坏首先要完善设计，做到合理选材，并在结构设计中做到设计合理，避免造成应力集中而产生裂纹。制造过程中的电弧擦伤、焊接裂纹、有损伤的冲孔、剪切边缘等也可能会造成裂纹的产生和扩散，也应予以控制。

一、钢结构材料选用注意事项

（一）应力类型及大小对选材的影响

钢结构所受载荷在不同的部位应力状态是不同的，载荷应力状态对结构脆性破坏的影响和敏感度是最重要的。对选材而言，简单的静载拉、压应力和2向、3向应力状态有较大区别。而疲劳载荷应力循环如脉动循环、对称循环等和应力幅的不同，对结构材料的选择所起的作用更为重要。另外，因焊接等产生的残余应力、结构自重载荷引起的应力大小、结构构造设计及应力集中情况等对结构材料选择的影响也有很大作用。通常，结构受力复杂，应力集中情况严重，则材料选择一般要考虑选择抗疲劳、对应力集中不太敏感的材料。

（二）板材厚度对选材的影响

钢材在不同尺寸时的承载能力也不同。厚度较大的板材其转化温度也较高，之所以这样，是因为成品状态下其金相组织较为不利。厚板的金相组织及屈服强度和冲击功总是随板厚的增加而降低，同时板材厚度越大，其应力集中情况也越严重。

（三）环境温度对选材的影响

环境温度对钢材承载能力的影响很大。在不同环境温度条件下钢材的冲击（功）韧性值的大小也不同。在指定的环境温度条件下，起重机钢结构所用钢材的冲击功必须大于某数值，否则有可能导致结构的脆性断裂。

结构的脆性断裂也可能在中、低应力值作用下发生。而因选材不合理，钢材的转化温度低于环境温度时发生脆性断裂的概率往往较大。

转化温度是试件或结构由通常希望的塑性行为转变为脆性行为的温度。转化温度分为2类，第一类主要取决于裂纹产生前和裂纹开始扩展是塑性形变的量，与缺口处金属的塑性相关；第二类主要取决于裂纹的广泛扩展，用来衡量破坏外形的转变。

在弹性范围内的疲劳载荷，如果在循环载荷的作用下没有形成疲劳裂纹，则其对转化温度的影响很小。而当形成疲劳裂纹，由于尖锐裂纹所起的不利应力状态，会提高塑性转化温度。

二、钢结构设计中应注意的事项

通常，设计依据的理论基础是材料在弹性条件下承载，假定为连续应力，在存在应力集中的部位考虑裕度（应力集中系数），同时对材料的屈服应力按一定的安全系数折减控制静强度。在承受循环载荷时，在循环特性条件下其最大应力与最小应力的关系，按照具体构造对应的应力集中系数验算疲劳寿命。再以刚度值作标准控制结构的静、动刚度，以控制结构变形和振动频率和幅度。

结构设计的合理性对于防止脆性破坏能起到非常显著的效果，好的结构构造设计会使其应力集中情况大为改观，从而在更大的程度上控制疲劳初始裂纹产生的根源。

但是对于结构设计而言，首先要搞清楚其最低工作环境温度，尤其在考虑预防脆性破坏时更应如此。因此，北方地区室外用钢结构就存在选材问题，采用低碳沸腾钢和半镇静钢，尤其是厚度大于10～12mm的板材应选择镇静钢，厚度大于20～24mm的板材应选择细晶粒镇静钢。工作环境温度越低，选材越应严格。

另外，在设计上应尽量避免结构尺寸的突变，一同厚度钢对接处理就是一个重要问题。设计规范之所以对其做出规定，就是控制联接处的尺寸突变。中、薄板结构的压折翻边要留有足够的弯曲半径。

现代设计的钢结构脆性破坏大多情况与设计环节中焊接问题有关。从焊缝附近的热影响区疲劳初始裂纹开始扩展引起结构破坏以及脆性破坏的情况较为普遍，因此焊接材料的选择、焊缝形式、焊接工艺参数的确定都是应认真考虑的重要问题。钢材的可焊性、焊条或焊丝的牌号对结构的承载尤其是在疲劳载荷作用下能否预防裂纹的产生起着决定性作用，而施焊电流、焊前预热温度等工艺参数对预防裂纹的产生则起着更重要的影响作用。

一般情况下，采用对接焊缝比采用搭接焊缝好，因为采用搭接焊缝必然存在偏心和应力集中，采用间断焊缝虽对结构变形影响较小，但由于外露的弧坑很多，而弧坑是焊缝中最易产生裂纹的地方，所以要引起重视。另外要避免焊缝交叉，板材拼接必须交叉时，应避免出现“十”字交叉，改用“T”型交叉，对杆件在空间交叉时，可通过设置过渡连接件把焊缝分开。对2向和3向拉伸的结构设计尤其要避免焊缝的积聚和交叉。

指定的材料和使用条件下，合理的结构设计尤其是局部构造设计是经济的预防措施。

三、制造环节中应注意的事项

脆性破坏是从一处或几处裂纹的产生开始的，因此制造过程中的电弧擦伤、焊接裂纹、冲孔、剪切边缘等都可能会造成裂纹的产生和扩散。而从焊缝附近的热影响区疲劳初始裂纹开始扩展引起的情况则更为普遍，因此焊接工艺参数的确定和工艺过程的控制及其施工质量的检验和控制是至关重要的。实践证明，焊前预热对结构抗疲劳裂纹的效果非常显著，对于室外的厚板焊接尤其要采用焊前预热工艺。

剪切下料对结构脆性破坏的影响已有试验验证，在试验中，在较低的应力水平下就产生了裂纹和破坏。刨边加工若切削量过大会产生类似于剪切的情况，除非在焊接过程中，剪切边缘得到重熔化，否则产生裂纹的可能性很大。

有时为了解决板材的波浪变形或调整起重机桥架拱度，采用火焰加热的办法，通常的加热温度都高于370℃，此时如果环境温度较低，会使金属局部区域冷却过快产生不好影响。

残余应力对钢结构脆性破坏的影响很大，有时残余应力是非常必要的，而时效对于残余应力的释放起到了一定的作用。尺寸不大的重要构件、板厚较大、含碳量、合金含量较高的构件可以采用退火等热处理工艺措施来消除残余应力，此时热影响区金属的塑性和韧性有所改善，溶解在金属中的氢将有更多机会逸散，而尺寸庞大的构件采取任何时效处理几乎都是不现实的，所以采用焊前局部加热可以较好地解决残余应力无法消除的问题。通过采用振动的办法消除残余应力有一定的作用，但效果不太显著，也没有具体效果的验证。

结束语

由于现代钢铁工业的不断发展和人们对钢结构设计认识的不断提高，应该说近期起重机钢结构发生脆性破坏的实例并不多，但这不说明这一问题已经解决。正是由于钢结构发生脆性破坏带来的后果非常严重，所以更应该将脆性破坏的预防纳入设计管理中一个重要的环节给予足够的重视。

（作者单位：辽宁恒泰重机有限公司）