近年來，國內(nèi)外關(guān)于高強(qiáng)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(jī)械工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。

高強(qiáng)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(diǎn)。焊接加工后，高強(qiáng)鋼連接節(jié)點(diǎn)傳荷能力較為可靠，因此采用高強(qiáng)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(jì)理念，具有十分明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。基于此高強(qiáng)鋼作為工程建造的重要材料運(yùn)用于建筑工程結(jié)構(gòu)如北京奧運(yùn)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(jì)中。

迄今為止，已建高強(qiáng)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(qiáng)鋼腐蝕產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡無法估量，社會(huì)負(fù)面影響極為惡劣。此外，若受到外界動(dòng)載與自然環(huán)境多因素耦合作用，裂紋在高強(qiáng)鋼中萌生并快速擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件快速失效，一般為脆性破壞。

高強(qiáng)鋼的腐蝕行為

鋼材的腐蝕機(jī)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(qiáng)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。

圖1 鋼材腐蝕機(jī)理

目前，關(guān)于高強(qiáng)鋼腐蝕行為的課題研究主要集中于高強(qiáng)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(jī)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(shí)，同一牌號高強(qiáng)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?yàn)楸砻娑逊e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(jì)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(kuò)展，最終完全包裹基體外圍，點(diǎn)蝕坑分布具有隨機(jī)性與不確定性等特征；

4 處于多因素復(fù)雜環(huán)境中，高強(qiáng)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。

高強(qiáng)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(shí)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼材的極限強(qiáng)度和剛度快速退化，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)減小。研究銹蝕高強(qiáng)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(yàn)。

1 單調(diào)拉伸研究

影響高強(qiáng)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(shí)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)鋼力學(xué)性能退化規(guī)律，但其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果仍存在差異，在后續(xù)相關(guān)課題研究時(shí)，需要提出更為準(zhǔn)確的理論分析模型。

2 滯回性能研究

在強(qiáng)震（一般呈周期短、應(yīng)變幅值大的低周往復(fù)荷載作用形式）作用下，高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)承重骨架能夠產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)抗震性能評估中，主要通過滯回能定量表征結(jié)構(gòu)整體的耗能能力。若長期處于復(fù)雜環(huán)境中，鋼材可能出現(xiàn)腐蝕剝落，導(dǎo)致有效截面尺寸減小，局部區(qū)域出現(xiàn)不規(guī)則分布的蝕坑。當(dāng)高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)受到的外部荷載超出自身極限承載力而喪失穩(wěn)定性時(shí)，連接區(qū)域滯后斷裂速率加快，結(jié)構(gòu)體系在短期內(nèi)坍塌破壞，導(dǎo)致其實(shí)際服役時(shí)間小于設(shè)計(jì)使用年限。

高強(qiáng)鋼滯回特性研究常采用低周循環(huán)加載試驗(yàn)，國內(nèi)外關(guān)于含腐蝕缺陷高強(qiáng)鋼力學(xué)性能的研究大多集中于無腐蝕環(huán)境中普通鋼材、低合金鋼的承載性能；此外，國內(nèi)外針對海工混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕機(jī)理及安全防護(hù)也開展了大量研究工作，并給出了指導(dǎo)性建議與意見。今后我國工程建設(shè)將向大跨度、超高層等領(lǐng)域快速推進(jìn)，因此有必要開展更多高強(qiáng)鋼耐久性方面的研究。

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(shí)，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(kuò)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(qiáng)鋼腐蝕疲勞性能研究，目前試驗(yàn)方案總共分為三類：預(yù)腐蝕后加載試驗(yàn)、腐蝕與疲勞階段性交替加載試驗(yàn)、腐蝕疲勞耦合加載試驗(yàn)。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(qiáng)鋼母材及焊縫進(jìn)行一系列試驗(yàn)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(yàn)，框架結(jié)構(gòu)的低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，但關(guān)于高強(qiáng)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(qiáng)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(yàn)證；此外，我國GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和美國ANSI/AISC 360-2016 Specification for structural steel buildings提出的高強(qiáng)鋼母材及焊接接頭的疲勞計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)則不再適用。

結(jié)束語

重點(diǎn)介紹了不同腐蝕條件下高強(qiáng)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(jìn)展。高強(qiáng)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(jì)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(qiáng)鋼力學(xué)性能研究趨勢及熱點(diǎn)問題，對其研究方向提出了以下幾點(diǎn)建議：

1 考慮腐蝕成因較少，并且試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)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(qiáng)鋼及焊縫區(qū)的腐蝕機(jī)理。

2 為推廣高強(qiáng)鋼在極端復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，以及為高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，在高強(qiáng)鋼耐久性方面應(yīng)開展更多的試驗(yàn)研究。

3 目前銹蝕高強(qiáng)鋼疲勞性能分析主要以單向載荷作用為主，而實(shí)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(jìn)行更多高強(qiáng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)。