高强钢的力学性能

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　　材料腐蚀能够引起构件截面尺寸减小，尺寸不一的蚀坑分布于局部区域，受外荷载作用时极易产生应力集中，导致钢材的极限强度和刚度快速退化，各项力学性能指标减小。研究锈蚀高强钢及其焊缝的力学性能退化规律，对于服役结构体系可靠性分析及寿命预估具有重要意义。目前，对于锈蚀标准试件力学性能的研究工作可分为单调拉伸、低周往复加载及高周疲劳试验。


　　一、单调拉伸研究


　　影响高强钢材力学性能的因素众多，如服役环境、荷载幅值、板材厚度、钢材等级以及连接方式等。已有研究表明：


　　1、随着材料在环境中暴露周期延长，屈服平台减少，延性逐渐变差，此时断口收缩现象不再明显;


　　2、同一腐蚀周期下，试件破坏模式不同，这主要是由于腐蚀面积及分布范围存在不可预知性，当在外界荷载作用时，蚀坑密集区更易形成应力集中，发生脆性破坏;


　　3、与普通钢材相比，高强钢具有更好的耐蚀性和抗变形能力;


　　4、本构模型能够反映锈蚀高强钢力学性能退化规律，但其计算结果与试验结果仍存在差异，在后续相关课题研究时，需要提出更为准确的理论分析模型。


　　二、滞回性能研究


　　在强震(一般呈周期短、应变幅值大的低周往复荷载作用形式)作用下，高强钢结构承重骨架能够产生较大内应力，在结构抗震性能评估中，主要通过滞回能定量表征结构整体的耗能能力。若长期处于复杂环境中，钢材可能出现腐蚀剥落，导致有效截面尺寸减小，局部区域出现不规则分布的蚀坑。当高强钢结构受到的外部荷载超出自身极限承载力而丧失稳定性时，连接区域滞后断裂速率加快，结构体系在短期内坍塌破坏，导致其实际服役时间小于设计使用年限。


　　高强钢滞回特性研究常采用低周循环加载试验，国内外关于含腐蚀缺陷高强钢力学性能的研究大多集中于无腐蚀环境中普通钢材、低合金钢的承载性能;此外，国内外针对海工混凝土结构中钢筋腐蚀机理及安全防护也开展了大量研究工作，并给出了指导性建议与意见。今后我国工程建设将向大跨度、超高层等领域快速推进，因此有必要开展更多高强钢耐久性方面的研究。


　　三、疲劳性能研究


　　在复杂环境中，工程钢结构一般受到不同因素影响，而非单一荷载作用方式，在多种效应长期影响下，承重构件易发生疲劳失效。当腐蚀性介质与交替载荷耦合作用时，材料损伤累积量相比短期荷载作用引起的破坏程度更为明显，腐蚀可以促使疲劳裂纹萌生并向应力集中区域快速扩展，从而增大了材料与外界环境直接接触的面积，导致损伤累积程度急剧增大，材料最终完全失效。焊接方式、焊条型号及接头尺寸对钢结构焊接接头的疲劳性能有着重要影响。在腐蚀环境中，裂纹首先在应力集中区产生并向外围延伸，最终使钢结构丧失承载能力。


　　针对高强钢腐蚀疲劳性能研究，目前试验方案总共分为三类：预腐蚀后加载试验、腐蚀与疲劳阶段性交替加载试验、腐蚀疲劳耦合加载试验。腐蚀疲劳耦合作用产生的损伤往往大于两者线性叠加;此外，在疲劳低应力水平下，发生严重腐蚀的构件更易萌生初始裂纹，当其达到极限状态后，快速发生疲劳失效。


　　针对上述问题，相关学者对锈蚀高强钢母材及焊缝进行一系列试验研究及理论分析，国内关于锈蚀钢疲劳性能测试及损伤分析的研究主要有腐蚀环境中碳钢、低合金钢、普通钢筋高周疲劳试验，框架结构的低周往复荷载试验，但关于高强钢疲劳性能的研究成果甚少。目前，关于腐蚀环境中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，建立的腐蚀疲劳损伤演化模型准确性有待验证;此外，我国GB 50017-2017《钢结构设计标准》和美国ANSI/AISC 360-2016 Specification for structural steel buildings提出的高强钢母材及焊接接头的疲劳计算方法只适用于普通环境，若结构服役于腐蚀环境，这些设计标准则不再适用。