腐蝕環(huán)境中高強鋼力學性能的研究進展
近年來，國內外關于高強鋼力學性能的研究迅速發(fā)展，涉及土木工程、冶金工程、機械工程等多個學科領域。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件能夠減小其截面尺寸，降低結構體系用鋼量，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\用于建筑工程結構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)則復雜結構設計中。迄今為止，已建高強鋼工程結構均服役于近海海岸、酸雨或工業(yè)大氣等極端復雜環(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，導致構件快速失效，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。一般而言，構件焊接區(qū)域的腐蝕速率普遍大于母材區(qū)，該區(qū)域材料損傷累積導致工程結構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性能，并且明顯改善了材料的耐蝕性。目前，關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。研究結果表明：
1、當腐蝕環(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)生的損傷累積遠遠大于均勻腐蝕。
二、高強鋼的力學性能
材料腐蝕能夠引起構件截面尺寸減小，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)生應力集中，導致鋼材的極限強度和剛度快速退化，各項力學性能指標減小。研究銹蝕高強鋼及其焊縫的力學性能退化規(guī)律，對于服役結構體系可靠性分析及壽命預估具有重要意義。目前，對于銹蝕標準試件力學性能的研究工作可分為單調拉伸、低周往復加載及高周疲勞試驗。
1、單調拉伸研究
影響高強鋼材力學性能的因素眾多，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知性，當在外界荷載作用時，蝕坑密集區(qū)更易形成應力集中，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）本構模型能夠反映銹蝕高強鋼力學性能退化規(guī)律，但其計算結果與試驗結果仍存在差異，在后續(xù)相關課題研究時，需要提出更為準確的理論分析模型。
2、滯回性能研究
3、疲勞性能研究
在復雜環(huán)境中，工程鋼結構一般受到不同因素影響，而非單一荷載作用方式，在多種效應長期影響下，承重構件易發(fā)生疲勞失效。當腐蝕性介質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構焊接接頭的疲勞性能有著重要影響。在腐蝕環(huán)境中，裂紋首先在應力集中區(qū)產(chǎn)生并向外圍延伸，最終使鋼結構喪失承載能力。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，在疲勞低應力水平下，發(fā)生嚴重腐蝕的構件更易萌生初始裂紋，當其達到極限狀態(tài)后，快速發(fā)生疲勞失效。針對上述問題，相關學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，國內關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，框架結構的低周往復荷載試驗，但關于高強鋼疲勞性能的研究成果甚少。目前，關于腐蝕環(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研究階段，建立的腐蝕疲勞損傷演化模型準確性有待驗證；此外，我國GB 50017-2017《鋼結構設計標準》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，若結構服役于腐蝕環(huán)境，這些設計標準則不再適用。
三、結束語
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性能，其工程應用前景廣闊。但是，鑒于在役鋼結構所處環(huán)境復雜，現(xiàn)行規(guī)范設計方法仍然有待完善，并且亟需更多材料、構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，并且試驗方案設計的加速周期仍然偏短，今后應當綜合考慮環(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雜環(huán)境中的應用，以及為高強鋼結構設計提供理論基礎，在高強鋼耐久性方面應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，而實際工程鋼結構多處于復雜受力狀態(tài)，后續(xù)應在變幅疲勞方面多開展相關研究。
4、應在現(xiàn)有研究成果基礎上，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性能退化分析，為規(guī)范及修訂設計標準提供參考依據(jù)。
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