腐蝕環(huán)境中高強鋼力學(xué)性能的研究進展
近年來，國內(nèi)外關(guān)于高強鋼力學(xué)性能的研究迅速發(fā)展，涉及土木工程、冶金工程、機械工程等多個學(xué)科領(lǐng)域。高強鋼（HSS，名義屈服極限不低于460 MPa）具有承載力高、韌塑及耐候性良好、抗疲勞等優(yōu)點。焊接加工后，高強鋼連接節(jié)點傳荷能力較為可靠，因此采用高強鋼的承重構(gòu)件能夠減小其截面尺寸，降低結(jié)構(gòu)體系用鋼量，提高建筑空間利用率，這符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保的設(shè)計理念，具有十分明顯的社會效益和經(jīng)濟效益?；诖烁邚婁撟鳛楣こ探ㄔ斓闹匾牧线\用于建筑工程結(jié)構(gòu)如北京奧運國家體育場、大跨度橋梁工程如港珠澳大橋及其他不規(guī)則復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計中。迄今為止，已建高強鋼工程結(jié)構(gòu)均服役于近海海岸、酸雨或工業(yè)大氣等極端復(fù)雜環(huán)境中，其耐久性問題日益突出，因而受到高度重視。在干濕交替自然環(huán)境中長期暴露后，由高強鋼腐蝕產(chǎn)生的直接經(jīng)濟損失與人員傷亡無法估量，社會負(fù)面影響極為惡劣。此外，若受到外界動載與自然環(huán)境多因素耦合作用，裂紋在高強鋼中萌生并快速擴展，導(dǎo)致構(gòu)件快速失效，一般為脆性破壞。
一、高強鋼的腐蝕行為
鋼材的腐蝕機理如圖1所示，腐蝕損傷程度與所處環(huán)境、材料類別和服役周期等因素密切相關(guān)。一般而言，構(gòu)件焊接區(qū)域的腐蝕速率普遍大于母材區(qū)，該區(qū)域材料損傷累積導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)體系的極限承載力降低；此外，與普通建筑鋼材相比，高強鋼特定的冶煉方式及軋制工藝不僅提高了材料的力學(xué)性能，并且明顯改善了材料的耐蝕性。目前，關(guān)于高強鋼腐蝕行為的課題研究主要集中于高強鋼及焊縫連接區(qū)的宏觀腐蝕現(xiàn)象與微觀形貌分析，以及根據(jù)不同加速腐蝕方案討論材料各區(qū)域的腐蝕損傷機理與主要影響因素。研究結(jié)果表明：
1、當(dāng)腐蝕環(huán)境不同時，同一牌號高強鋼的損傷大小存在明顯差異；
2、隨著腐蝕周期的延長，鋼材的質(zhì)量損失率提高，但是增幅逐漸降低，這是因為表面堆積的腐蝕產(chǎn)物在一定程度上減緩了深度方向的腐蝕速率；
3、統(tǒng)計相關(guān)研究數(shù)據(jù)可知，熱影響區(qū)的腐蝕速率普遍最高，而母材區(qū)的腐蝕速率相對最小，腐蝕產(chǎn)物首先在熱影響區(qū)產(chǎn)生，隨之向兩側(cè)逐漸擴展，最終完全包裹基體外圍，點蝕坑分布具有隨機性與不確定性等特征；
4、處于多因素復(fù)雜環(huán)境中，高強鋼更易發(fā)生腐蝕，并且局部腐蝕產(chǎn)生的損傷累積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于均勻腐蝕。
二、高強鋼的力學(xué)性能
材料腐蝕能夠引起構(gòu)件截面尺寸減小，尺寸不一的蝕坑分布于局部區(qū)域，受外荷載作用時極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼材的極限強度和剛度快速退化，各項力學(xué)性能指標(biāo)減小。研究銹蝕高強鋼及其焊縫的力學(xué)性能退化規(guī)律，對于服役結(jié)構(gòu)體系可靠性分析及壽命預(yù)估具有重要意義。目前，對于銹蝕標(biāo)準(zhǔn)試件力學(xué)性能的研究工作可分為單調(diào)拉伸、低周往復(fù)加載及高周疲勞試驗。
1、單調(diào)拉伸研究
影響高強鋼材力學(xué)性能的因素眾多，如服役環(huán)境、荷載幅值、板材厚度、鋼材等級以及連接方式等。已有研究表明：
（1）隨著材料在環(huán)境中暴露周期延長，屈服平臺減少，延性逐漸變差，此時斷口收縮現(xiàn)象不再明顯；
（2）同一腐蝕周期下，試件破壞模式不同，這主要是由于腐蝕面積及分布范圍存在不可預(yù)知性，當(dāng)在外界荷載作用時，蝕坑密集區(qū)更易形成應(yīng)力集中，發(fā)生脆性破壞；
（3）與普通鋼材相比，高強鋼具有更好的耐蝕性和抗變形能力；
（4）本構(gòu)模型能夠反映銹蝕高強鋼力學(xué)性能退化規(guī)律，但其計算結(jié)果與試驗結(jié)果仍存在差異，在后續(xù)相關(guān)課題研究時，需要提出更為準(zhǔn)確的理論分析模型。
2、滯回性能研究
3、疲勞性能研究
在復(fù)雜環(huán)境中，工程鋼結(jié)構(gòu)一般受到不同因素影響，而非單一荷載作用方式，在多種效應(yīng)長期影響下，承重構(gòu)件易發(fā)生疲勞失效。當(dāng)腐蝕性介質(zhì)與交替載荷耦合作用時，材料損傷累積量相比短期荷載作用引起的破壞程度更為明顯，腐蝕可以促使疲勞裂紋萌生并向應(yīng)力集中區(qū)域快速擴展，從而增大了材料與外界環(huán)境直接接觸的面積，導(dǎo)致?lián)p傷累積程度急劇增大，材料最終完全失效。焊接方式、焊條型號及接頭尺寸對鋼結(jié)構(gòu)焊接接頭的疲勞性能有著重要影響。在腐蝕環(huán)境中，裂紋首先在應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生并向外圍延伸，最終使鋼結(jié)構(gòu)喪失承載能力。針對高強鋼腐蝕疲勞性能研究，目前試驗方案總共分為三類：預(yù)腐蝕后加載試驗、腐蝕與疲勞階段性交替加載試驗、腐蝕疲勞耦合加載試驗。腐蝕疲勞耦合作用產(chǎn)生的損傷往往大于兩者線性疊加；此外，在疲勞低應(yīng)力水平下，發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的構(gòu)件更易萌生初始裂紋，當(dāng)其達(dá)到極限狀態(tài)后，快速發(fā)生疲勞失效。針對上述問題，相關(guān)學(xué)者對銹蝕高強鋼母材及焊縫進行一系列試驗研究及理論分析，國內(nèi)關(guān)于銹蝕鋼疲勞性能測試及損傷分析的研究主要有腐蝕環(huán)境中碳鋼、低合金鋼、普通鋼筋高周疲勞試驗，框架結(jié)構(gòu)的低周往復(fù)荷載試驗，但關(guān)于高強鋼疲勞性能的研究成果甚少。目前，關(guān)于腐蝕環(huán)境中高強鋼母材及焊接接頭的疲勞性能退化分析仍處于基礎(chǔ)研究階段，建立的腐蝕疲勞損傷演化模型準(zhǔn)確性有待驗證；此外，我國GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和美國ANSI/AISC 360-2016 Specification for structural steel buildings提出的高強鋼母材及焊接接頭的疲勞計算方法只適用于普通環(huán)境，若結(jié)構(gòu)服役于腐蝕環(huán)境，這些設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)則不再適用。
三、結(jié)束語
重點介紹了不同腐蝕條件下高強鋼及其焊接接頭的單調(diào)拉伸、滯回加載和高周疲勞等方面的研究進展。高強鋼材具有良好的耐蝕性和力學(xué)性能，其工程應(yīng)用前景廣闊。但是，鑒于在役鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計方法仍然有待完善，并且亟需更多材料、構(gòu)件的耐久性研究成果作為理論支撐。此外，根據(jù)銹蝕高強鋼力學(xué)性能研究趨勢及熱點問題，對其研究方向提出了以下幾點建議：
1、考慮腐蝕成因較少，并且試驗方案設(shè)計的加速周期仍然偏短，今后應(yīng)當(dāng)綜合考慮環(huán)境多因素影響，深入研究高強鋼及焊縫區(qū)的腐蝕機理。
2、為推廣高強鋼在極端復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，以及為高強鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，在高強鋼耐久性方面應(yīng)開展更多的試驗研究。
3、目前銹蝕高強鋼疲勞性能分析主要以單向載荷作用為主，而實際工程鋼結(jié)構(gòu)多處于復(fù)雜受力狀態(tài)，后續(xù)應(yīng)在變幅疲勞方面多開展相關(guān)研究。
4、應(yīng)在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上，在不同的腐蝕環(huán)境中進行更多高強鋼及其焊接接頭的力學(xué)性能退化分析，為規(guī)范及修訂設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)。
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