材料腐蚀会导致部件的横截面尺寸减小。 局部地区分布着大小不等的腐蚀坑。 钢材在受到外载荷作用时,极易产生应力集中,导致钢材的极限强度和刚度迅速下降,各项力学性能指标下降。 研究腐蚀高强钢及其焊缝力学性能退化规律对于服役结构系统的可靠性分析和寿命预测具有重要意义。 目前,腐蚀标准试件力学性能的研究工作可分为单调拉伸、低周往复加载和高周疲劳试验。
1.单调拉伸研究
影响高强钢力学性能的因素有很多,如使用环境、载荷幅值、板厚、钢级和连接方式等。研究表明:
1、随着材料在环境中暴露时间的延长,屈服平台降低,延展性逐渐变差。 此时断裂收缩不再明显;
2、同一腐蚀周期下,试件的失效模式不同。 这主要是由于腐蚀面积和分布范围的不可预测性。 当施加外部载荷时,在腐蚀坑密集的区域更容易发生应力集中,发生脆性破坏;
3、与普通钢材相比,高强度钢具有更好的耐腐蚀性和抗变形能力;
4、本构模型能够反映腐蚀高强钢力学性能的退化规律,但其计算结果与实验结果仍存在差异。 在后续相关课题的研究中,需要提出更加准确的理论分析模型。
2.迟滞性能研究
在强地震(一般为周期短、应变幅大的低周往复荷载)作用下,高强钢结构的承重骨架会产生较大的内应力。 在结构抗震性能评价中,主要用滞回能来定量表征。 结构的整体耗能能力。 如果钢材长期暴露在复杂的环境中,可能会发生腐蚀和剥落,导致有效截面尺寸减小高强钢材,局部出现不规则分布的腐蚀坑。 当高强钢结构所受的外荷载超过其极限承载力而失去稳定性时,连接区域的滞后断裂速率加快,结构体系在短时间内发生倒塌破坏,导致其实际使用时间比其设计使用寿命短。
高强钢滞后性能的研究常采用低周循环加载试验。 国内外对含有腐蚀缺陷的高强钢力学性能的研究大多集中于普通钢和低合金钢在非腐蚀环境下的承载性能。 此外,国内外海洋工程研究对于混凝土结构中钢筋的腐蚀机理和安全防护也开展了大量的研究工作,并给出了指导性建议和意见。 未来,我国工程建设将快速向大跨度、超高层等领域推进,因此有必要对高强钢的耐久性进行更多的研究。
3.疲劳性能研究
在复杂的环境下,工程钢结构一般会受到多种因素的影响,而不是单一的荷载作用模式。 在多重作用的长期影响下,承载部件容易发生疲劳失效。 当腐蚀介质加上交变载荷时,材料损伤的累积量比短期载荷造成的损伤更为明显。 腐蚀可以促进疲劳裂纹的萌生并迅速扩展至应力集中区,从而增加材料与外部环境的关系。 直接接触面积导致损伤累积程度急剧增加,材料最终完全失效。 焊接方法、焊条类型和接头尺寸对钢结构焊接接头的疲劳性能有重要影响。 在腐蚀环境下,裂纹首先发生在应力集中区,并向周边扩展,最终导致钢结构失去承载能力。
对于高强钢腐蚀疲劳性能的研究,目前的试验方案分为三类:腐蚀前与后加载试验、腐蚀与疲劳分级交变加载试验、腐蚀-疲劳耦合加载试验。 腐蚀与疲劳耦合作用造成的损伤往往大于两者的线性叠加; 此外,在低疲劳应力水平下,严重腐蚀的部件更有可能引发初始裂纹。 当它们达到最终状态时高强钢材,很快就会发生疲劳失效。
针对上述问题,相关学者对腐蚀高强钢母材及焊缝进行了一系列的实验研究和理论分析。 国内对腐蚀钢材的疲劳性能测试和损伤分析的研究主要包括碳钢、低合金钢、腐蚀环境下的普通钢筋。 框架结构的高周疲劳试验和低周往复载荷试验,但对高强钢疲劳性能的研究成果还很少。 目前,腐蚀环境下高强钢母材及焊接接头的疲劳性能退化分析仍处于基础研究阶段,所建立的腐蚀疲劳损伤演化模型的准确性有待验证; 另外,我国GB 50017-2017《钢结构设计标准》和美国ANSI/AISC 360-2016针对钢提出的高强度钢母材及焊接接头的疲劳计算方法仅适用于普通环境。 如果结构在腐蚀环境中使用,则这些设计标准不再适用。


