16.4 防脆断设计

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16.4.1 钢结构设计时应符合下列规定：
1 钢结构连接构造和加工工艺的选择应减少结构的应力集中和焊接约束应力，焊接构件宜采用较薄的板件组成；
2 应避免现场低温焊接；
3 减少焊缝的数量和降低焊缝尺寸，同时避免焊缝过分集中或多条焊缝交汇。
16.4.2 在工作温度等于或低于—30℃的地区，焊接构件宜采用实腹式构件，避免采用手工焊接的格构式构件。
16.4.3 在工作温度等于或低于—20℃的地区，焊接连接的构造应符合下列规定：
1 在桁架节点板上，腹杆与弦杆相邻焊缝焊趾间净距不宜小于2.5t，t为节点板厚度；
2 节点板与构件主材的焊接连接处(图16.3.2-1)宜做成半径r不小于60mm的圆弧并予以打磨，使之平缓过渡；
3 在构件拼接连接部位，应使拼接件自由段的长度不小于5t，t为拼接件厚度(图16.4.3)。[align=center]        [img]https://gf.1190119.cn/https://gf.1190119.cn/Web/uploads/allimg/200714/104R315E-0.jpg[/img]
        图16.4.3 盖板拼接处的构造
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        16.4.4 在工作温度等于或低于—20℃的地区，结构设计及施工应符合下列规定：
         1 承重构件和节点的连接宜采用螺栓连接，施工临时安装连接应避免采用焊缝连接；
         2 受拉构件的钢材边缘宜为轧制边或自动气割边，对厚度大于10mm的钢材采用手工气割或剪切边时，应沿全长刨边；
         3 板件制孔应采用钻成孔或先冲后扩钻孔；
         4 受拉构件或受弯构件的拉应力区不宜使用角焊缝；
         5 对接焊缝的质量等级不得低于二级。
        16.4.5 对于特别重要或特殊的结构构件和连接节点，可采用断裂力学和损伤力学的方法对其进行抗脆断验算。
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        [b]条文说明[/b]
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        16.4.1、16.4.2 这两条为原规范第8.7.1条的补充。从结构及构件的形式、材料的选用、焊缝的布置和焊接施工方面提出了定性的要求。
         根据苏联对脆断事故调查的结果，格构式板式节点桁架结构占事故总数的48％，而梁结构仅占18％，板结构占34％，可见桁架结构板式节点容易发生脆断。以往由于钢结构在寒冷地区很少使用，因此脆断情况并不严重，近年来，寒冷地区脆断事故时有发生，因此增加了防脆断设计的要求。
        16.4.3 本条沿用原规范第8.7.2条，从焊接结构的构造方面作出规定。
        16.4.4 本条沿用原规范第8.7.3条，从施工方面作出规定。其中对受拉构件钢材边缘加工要求的厚度限值(≤10mm)，是根据苏联1981年规范表84中在空气温度T≥—30℃的地区，考虑脆断的应力折减系数为1.0而得出的。
         虽然在我国的寒冷地区过去很少发生脆断问题，但当时的建筑物都不大，钢材亦不太厚。根据“我国低温地区钢结构使用情况调查”(《钢结构设计规范》材料二组低温冷脆分组，1973年1月)，所调查构件的钢材厚度为：吊车梁不大于25mm，柱子不大于20mm，屋架下弦不大于10mm。随着大型钢结构建筑的兴建，钢材厚度的增加以及对结构安全重视程度的提高，钢结构的防脆断问题理应在设计中加以考虑。我们认为若能在构造上采取本节所提出的措施，对提高结构抗脆断的能力肯定是有利的，从我国目前的国情来看，亦是可以做得到的，不会增加多少投资。同时为了缩小应用范围以节约投资，建议在T≤—20℃的地区采用。在T＞—20℃的地区，对重要结构亦宜在受拉区采用一些减少应力集中和焊接残余应力的构造措施。
        16.4.5 本条为此次修订新增的内容，对于特别重要或特殊的结构构件和连接节点，如板厚大于50mm的厚板或超厚板构件和节点、承受较大冲击荷载的构件和节点、低温和疲劳共同作用的构件和节点、强腐蚀或强辐射环境中的构件和节点等，可采用断裂力学的方法对结构构件和连接节点进行抗脆断验算。采用断裂力学方法进行构件和连接的抗脆断验算，包括含初始缺陷构件、连接节点的断裂力学参量的计算和材料断裂韧性的选取等两方面。断裂力学参量的计算首先是需要确定初始缺陷模型，可参考构件和连接的疲劳类别、施工条件、工程质量验收规范、当前的施工水平、探伤水平等因素，假定初始缺陷的位置、形状和尺寸；断裂力学参量的计算当受力状态和几何条件较为简单时可采用简化裂纹模型，当受力状态和几何条件复杂时可采用数值模型。材料断裂韧性的确定可利用已有的相应材料的断裂韧性值，当缺乏数据时需要通过试验对材料的断裂韧性进行测定，可按现行国家标准《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》GB／T 21143进行。具体步骤如下：
         1 根据构件和连接的疲劳类别，以及结构构件的受力特征和应力状态，确定存在脆性断裂危险的构件和连接节点；根据疲劳类别的细节、质量验收要求等，假定构件和连接中可能存在的初始缺陷的位置、形状和尺寸；
         2 选取断裂力学参数和断裂判据，如线弹性条件下的应力强度因子K判据，弹塑性条件下的围道积分J判据、裂纹尖端张开位移CTOD判据等；对含初始缺陷的结构构件或连接节点进行断裂力学计算，得到设计应力水平下的裂纹尖端断裂参量KI、JI或CTOD；
         3 确定相应设计条件(温度、板厚、焊接等)下，构件和连接节点材料的断裂韧性，如平面应变断裂韧度KIC、延性断裂韧度JIC和裂纹尖端张开位移CTOD特征值等；
         4 选取合理的断裂判据，对断裂力学计算得到的设计应力水平下的断裂参量和相应设计条件下的材料断裂韧性进行比较，从而完成抗脆断验算。