钢结构厚钢板的工程应用及脆性破坏研究
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摘 要：国内外的钢结构建筑迅猛发展使得厚钢板的使用越来越多，文章就厚钢板的研究和发展现状以及目前国内外的应用做了系统的总结，重点分析钢板厚度的增大提高了脆性破坏的可能性，焊缝残余应力对钢结构脆性破坏的影响等相关问题，最后提出钢结构厚板未来的发展的重点和急需解决的问题，为厚板研究、应用、与设计等等提供的参考。
关键词：钢结构厚板；脆性破坏
中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）35-0003-02
1 国内钢结构厚板的应用概况
国内钢结构厚板的应用起步较晚，主要是受到钢材生产能力、建筑技术水平及设计规范的限制。我国的高层建筑结构一直以来大部分采用钢筋混凝土结构，随着近十几年来超高层建筑及大跨度空间结构快速发展，钢筋混凝土结构抗震性能差、自重大的缺点使得其并不适合应用于超高层建筑，而钢材具有高强、匀质、较高的塑性和韧性，这些性能保证了钢结构能够较好的工作。
目前随着我国冶金生产技术的不断发展，国产厚钢板品种增加，质量性能显著提高，部分产品达到世界的领先水平，为复杂的钢结构建筑物应用的发展提供了充分的保证。而设计规范的不断修订，也使得钢结构的设计更为合理、经济和规范化.此外，高层钢结构应用的程度的加大与综合技术水平也得到了明显的提高，近几年来使用钢厚板的超高层建筑不断涌现，如上海环球金融中心、广州西塔、深圳京基金融中心、广州新电视塔等，国内重点的建筑钢结构厚板工程见表1。
早期受到设计规范和厚钢板性能方面的影响，中国钢结构工程中厚钢板的使用和研究明显落后于国外。随着经济和科学技术水平的提高，近期钢结构中厚板的应用与之前有了很大的变化，主要有以下特点：
①随着国内冶炼技术的提升，国内生产的厚钢板已经能为建筑结构用钢厚板提供良好的性能.其中有部分厂家已经具备生产国外标准的厚钢板；
②近期国内设计规范的不断修订，使得钢结构的设计、施工、选材更加合理及有据可依；
③钢结构的发展进入了高速阶段，是国家拥有高品质的钢材，使的钢结构在高层使用越来越多。
综上所述，我国钢结构的建筑的建造进入了快速时期，部分厂家已经具备生产国外标准的厚钢板，这对于钢结构厚板的发展起着重要的支撑作用。但是还是存在着一些问题，目前国内能够生产建筑结构使用的钢厚板的厂家只有少数的几家，使用的钢厚板还是以进口的为主。
失稳、疲劳、脆断三种破坏形式是钢结构最主要的三种脆性破坏形式。其大致特征是对缺陷非常敏感，破坏发生十分突然，之前没有明显的塑性变形，破坏时构件的应力低于材料的屈服强度，造成的破坏是很严重的.目前虽然钢材性能比之前有了很大的提高，钢结构的设计方法和施工技术也不断地取得进步.但现在的结构形式越来越复杂，不利于结构构件的受力，而设计上存在不足之处、施工方面存在缺陷。因此，必须对钢结构脆性破坏问题引起重视。
2.1 钢结构的脆性破坏
钢结构脆性破坏的影响因素有：材质缺陷、应力集中、工作环境、钢板厚度。在钢结构设计时候，一般不会考虑应力集中对钢结构的静力极限承载力的影响，而在钢结构若受到动力荷载（比如地震、吊车等等）作用时候，若材质缺陷、应力集中、工作环境、钢板厚度综合作用下，特别是存在较为显著的应力集中，脆性断裂发生的可能性大大增加。
随着结构体系不规则的程度的增加，建筑用钢板厚度增大，钢结构焊接难度随之增大，出现沿板厚方向层状撕裂的倾向性也相应增大。另一方面，我国很大一部分地区冬季时间长，有点地方长年低温，这不免会遇到钢结构在冬季时候进行施工或低温下工作，这都很容易导致钢结构的脆性破坏，尤其是厚板焊接造成的缺陷会加剧了钢结构发生脆性断裂的倾向性。
2.2 钢结构厚板的力学性能
清华大学王元清等人对钢结构厚板进行了的低温试验研究表明：温度对钢结构厚板的屈服强度和抗拉强度有一定的影响，从而影响了钢板的断面收缩率。当温度的降低的时候，钢板的屈服和抗拉强度增，而断面收缩率减小，从钢板表面至中心，所以导致钢板的横向的断面收缩率出现有下降趋势；随钢板厚度的增加，钢板纵向的断面收缩率逐渐减小，且小于钢板横向的断面收缩率。随着钢板板厚的增加，钢板中缺陷处会导致应力集中，导致钢板在相应部位应力应变状态由平面应力向平面应变转变，发生脆性断裂的趋势增加.钢结构的脆性断裂在低温下焊接施工或低温下服役中极容易发生，尤其是厚板焊接工程。
清华大学王元清等人对60～150 mm厚的钢板试件在低温下进行了冲击韧性试验，实验获得不同实验条件下的韧脆转变温度及其变化规律结果显示：结构钢厚板脆性增大和钢厚板的冲击韧性随温度的降低，板厚增大以及沿板厚度方向由表面到中心的位置变化而降低有很大的关系，要引起足够重视。
2.3 国内钢结构厚板脆性破坏
2.3.1 钢板厚度影响机理
钢板厚度的增加，其可焊性、力学性能等迅速恶化，导致其延性变差，容易发生沿钢板厚度方向的层状撕裂。具体来说，钢板强度、韧性和塑性均下降，钢板中的平面应力状态随着板厚增加也发生变化，Z向约束增大，厚度若超过一定值，应力状态将由平面应力状态变为平面应变状态，提高了钢结构构件出现脆性断裂的倾向；同时板厚的增加提高了材料缺陷处的应力集中系数，并且提高了产生脆性裂纹的敏感性。
钢结构厚板的制作工艺使得钢厚板厚度方向与平面内方向的性能有着较大的差别，层状撕裂对于钢材内部的缺陷十分敏感，而致使钢厚板沿其厚度方向的受拉性能较差。钢厚板构件的层状撕裂一般是在焊缝残余应力以及沿厚度方向的外荷载作用下产生的。钢厚板发生层装撕裂的条件主要有：①钢材材质，钢材中含有较多硫、磷等对钢材质量有害的物质；②沿钢板厚板厚度方向存在较大的应力。
2.3.2 国内对钢结构厚板及其连接焊缝的研究现状
李艳梅，朱伏先等，对中心部位含有明显缺陷的Q235B铸坯的实验材料进行研究，把试件划分成微小的成分进行分析，同时并对试验的中厚钢板的缺陷进行分析。结果表明，分层部位的产生缺陷主要原因：钢板沿压轧方向分布的铁素体带中硫化物的杂质。
胡宗文，王元清等，针对受拉厚板（60～150 mm厚），厚板含有存在缺口，对其力学性能进行了深入分析，特别是对厚板是否易发生脆性断裂可能性作了深入的探讨.数据表明，厚板具有更显著的脆性断裂趋势。
王元清，周晖等，对Q345钢板进行了的断裂韧性试验研究，试件厚度为150 mm的，在低温下进行。试验结果表明：从200～600 ℃，热影响区和焊缝金属的CTOD值随温度的减小而减小，降低的幅值最大分别达78%和91%；热影响区CTOD值比焊缝金属和母材均要小，为断裂韧性的研究提供了宝贵的数据。
由此可见，目前国内对于焊缝的脆性断裂更多的是从钢材的缺陷等方面来研究，未来更多的应该基于断裂力学机理进行更为系统的研究，而现在发展的超高层建筑的结构体系是相当复杂的，所以，应该针对实际工程提出简便的设计计算方法。
3 结 论
目前，钢结构厚板得到飞速的发展，在建筑结构中的应用与初步形成。在不断有人类伟大工程、城市标致性建筑使用钢结构厚板，钢结构厚板呈现出了蓬勃发展的景象。钢结构建筑具有优异的抗震性能，而且是符合中国走可持续发展战略目标，具有很好的发展前景。诚然，一个新兴事物的发展和应用一定需要很长的时间和更多的专家学者的研究，本文旨在呼吁更多有社会责任感学者和专家来研究钢结构厚板的结构理论、设计技术、施工技术的等等，使相关标准及规程的更加完备，为建筑钢结构厚板的应用提供了技术支持。
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