耐候鋼和高性能鋼腐蝕后疲勞性能2019年度研究進(jìn)展

張宇，鄭凱鋒，衡俊霖，馮霄暘，王亞偉

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031)

鋼材的腐蝕會(huì)削弱鋼結(jié)構(gòu)的截面，降低結(jié)構(gòu)承載能力。為了防止鋼材的腐蝕，需要定期進(jìn)行維護(hù)和維修工作；因腐蝕而失效的鋼結(jié)構(gòu)會(huì)直接導(dǎo)致大量的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年因腐蝕而損失的鋼鐵約為1.3億t[1]；中國(guó)每年金屬腐蝕導(dǎo)致的損失約占GDP的4%[2]。橋梁分布于各種氣候環(huán)境中，面對(duì)著各種腐蝕環(huán)境和腐蝕性的污染物。對(duì)于鋼橋，涂裝可以在一定期限內(nèi)保護(hù)鋼材不腐蝕，中國(guó)公路行業(yè)規(guī)范[3]規(guī)定，長(zhǎng)效型涂裝的期限上限為25 a，因此，鋼橋全壽命周期內(nèi)至少需要涂裝4次。涂裝材料中包含大量有機(jī)物，對(duì)環(huán)境有較強(qiáng)的污染，特別是在后期的涂裝過程中。免涂裝耐候鋼橋梁在一定程度上解決了鋼橋涂裝問題，不僅節(jié)省了建造過程的工期和成本，還節(jié)省了后期維護(hù)成本。在不使用涂裝或者局部使用涂裝的基礎(chǔ)上，能夠較大地保護(hù)橋址處的環(huán)境。

耐候鋼出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，通過在鋼材中增加Cu等元素的含量提高其抗腐蝕性能。耐候鋼與普通結(jié)構(gòu)鋼的區(qū)別在于，耐候鋼腐蝕后會(huì)在其表面形成一層致密穩(wěn)定的銹蝕層，阻止了鋼材的進(jìn)一步腐蝕。1964年，美國(guó)建成了第一座免涂裝耐候鋼橋，隨后，日本、歐洲各國(guó)也開始陸續(xù)使用免涂裝耐候鋼橋。截止目前，發(fā)達(dá)國(guó)家耐候鋼橋在鋼橋中占有不小的比重，成為了鋼橋發(fā)展的重要標(biāo)志。耐候鋼橋梁在中國(guó)起步較晚，中國(guó)第一座耐候鋼橋建成于1992年。到目前為止，中國(guó)耐候鋼橋仍然處于萌芽階段，具有較大的發(fā)展前景[4]。1992年，美國(guó)開始研制高性能鋼，在耐候鋼的基礎(chǔ)上提高了鋼材屈服強(qiáng)度、焊接性能和抗腐蝕性能，第一座高性能鋼橋于1997年在美國(guó)建成[5-6]。

鋼材疲勞是由于初始缺陷的存在，在低于鋼材屈服強(qiáng)度的循環(huán)應(yīng)力(包含拉應(yīng)力)作用下發(fā)生斷裂。因此，鋼橋在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下，部分構(gòu)件受到包含拉應(yīng)力的循環(huán)應(yīng)力，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)可能發(fā)生疲勞開裂甚至失效。鋼材腐蝕過程中不僅截面厚度會(huì)削減，還會(huì)在其表面產(chǎn)生蝕坑，增加其粗糙度，且粗糙度大于鋼材軋制表面。Jones[7]的研究表明，鋼材表面的不連續(xù)(蝕坑)會(huì)導(dǎo)致疲勞性能削減，坑蝕往往是疲勞裂紋萌生的位置。Kunz等[8]對(duì)自然腐蝕的Atmofix 52耐候鋼進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，腐蝕后的耐候鋼疲勞強(qiáng)度大幅度降低。Albrecht等[9]對(duì)加速腐蝕后的A588鋼梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，腐蝕后的鋼梁疲勞性能大幅降低，腐蝕可以導(dǎo)致鋼材疲勞強(qiáng)度降低到與焊縫細(xì)節(jié)相當(dāng)。大量試驗(yàn)表明，腐蝕后鋼材表面粗糙度增加，局部應(yīng)力水平增加，導(dǎo)致其疲勞強(qiáng)度降低，從而嚴(yán)重降低免涂裝耐候鋼橋的疲勞壽命。

通過介紹免涂裝耐候鋼的腐蝕種類，闡述均勻腐蝕和坑蝕對(duì)免涂裝耐候鋼橋梁結(jié)構(gòu)的影響。通過總結(jié)前人對(duì)耐候鋼的腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果，分析腐蝕環(huán)境中影響疲勞強(qiáng)度的因素。筆者對(duì)在中性鹽霧干/濕循環(huán)腐蝕后的HPS 485W和Q345CNH鋼(下文簡(jiǎn)稱兩種鋼材)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分析和研究腐蝕環(huán)境對(duì)兩種鋼材疲勞強(qiáng)度的削減程度。

1 耐候鋼的腐蝕疲勞性能

1.1 耐候鋼的均勻腐蝕和坑蝕

均勻腐蝕是在腐蝕環(huán)境中鋼材表面受到均勻侵蝕的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致鋼材等效厚度減小，從而影響構(gòu)件整體應(yīng)力水平。坑蝕是一種自催化過程，在鋼材腐蝕過程中與均勻腐蝕同時(shí)進(jìn)行。Zaya[10]的研究表明，由于銹蝕層的破裂，腐蝕性物質(zhì)通過銹層裂縫到達(dá)鋼材表面，導(dǎo)致銹層下鋼材局部銹蝕。Bhandari等[11]模擬研究了結(jié)構(gòu)坑蝕，研究表明，坑蝕過程分為4個(gè)階段：銹蝕層形成、銹蝕層破裂、蝕坑萌生和蝕坑發(fā)展，坑蝕的影響因素包括物理因素(溫度、pH值、鹽份、水深、周期水流等)、化學(xué)因素(Cl離子、含氧量、CO2等)、生物因素(細(xì)菌、污染、植物等)、冶金因素(合金含量、鋼材種類、表面粗糙度、制造工藝等)。與均勻腐蝕相比，坑蝕增加了鋼材表面粗糙度，導(dǎo)致表面局部應(yīng)力增大，是最具危害性的一種腐蝕類型。

坑蝕不僅會(huì)導(dǎo)致平面方向的腐蝕，還會(huì)導(dǎo)致深度方向的腐蝕，其中，深度方向的腐蝕對(duì)于鋼材的危害更大。Kondo[12]通過試驗(yàn)研究得到了鋼材的坑蝕深度增長(zhǎng)與腐蝕時(shí)間的指數(shù)關(guān)系，表明腐蝕作用會(huì)降低鋼材疲勞性能。類似的指數(shù)關(guān)系也由Ishihara等[13]通過對(duì)鋁合金的研究得到。通過對(duì)電化學(xué)腐蝕的研究，Huang等[14]將法拉第定理用于坑蝕過程的評(píng)估，該方法不僅考慮了材料本身的特性，還考慮了腐蝕環(huán)境的影響，能夠更全面地對(duì)坑蝕過程進(jìn)行評(píng)估?？紤]到坑蝕深度為影響疲勞性能的關(guān)鍵因素，實(shí)驗(yàn)中通過深度來描述其程度。

綜上所述，坑蝕的程度受材料特性和腐蝕環(huán)境影響，坑蝕對(duì)于金屬材料疲勞強(qiáng)度有影響，疲勞因素常為橋梁設(shè)計(jì)的控制因素，因此，坑蝕過程評(píng)估非常關(guān)鍵。

1.2 腐蝕作用降低耐候鋼疲勞強(qiáng)度

20世紀(jì)80年代，橋梁領(lǐng)域逐步開始研究腐蝕對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。Albrecht等[15-17]采用大量長(zhǎng)期腐蝕后的耐候鋼和普通結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，疲勞構(gòu)造細(xì)節(jié)等級(jí)越高，腐蝕作用對(duì)疲勞強(qiáng)度的削減越大，且腐蝕作用對(duì)耐候鋼和普通結(jié)構(gòu)鋼疲勞強(qiáng)度的削減效果類似。Novak[18]對(duì)A36、A588和A517鋼的缺口試件進(jìn)行鹽水腐蝕疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，幾種鋼材均無明顯的疲勞門檻值，幾種鋼材缺口部位300萬(wàn)次循環(huán)的名義疲勞強(qiáng)度均為68 MPa，與無腐蝕狀態(tài)相比，腐蝕狀態(tài)下A36、A588和A517鋼疲勞強(qiáng)度的削減分別為54%、62%和72%。對(duì)于免涂裝耐候鋼橋梁，橋梁建成前已經(jīng)開始銹蝕，建成后荷載和腐蝕同時(shí)作用于橋梁，因此，腐蝕疲勞試驗(yàn)?zāi)軌蚋鎸?shí)地反應(yīng)實(shí)際情況。Albrecht等[17,19]對(duì)腐蝕數(shù)年后的A588鋼梁進(jìn)行腐蝕過程中的疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，與未腐蝕的鋼梁相比，疲勞細(xì)節(jié)A的疲勞強(qiáng)度削減了71%，疲勞細(xì)節(jié)B的疲勞強(qiáng)度削減了56%，疲勞細(xì)節(jié)C的疲勞強(qiáng)度削減了33%。

以上研究結(jié)果證明了腐蝕作用對(duì)于耐候鋼疲勞性能的削減，疲勞細(xì)節(jié)等級(jí)越高，疲勞作用對(duì)疲勞強(qiáng)度的削減越嚴(yán)重，這為耐候鋼腐蝕疲勞性能評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

1.3 規(guī)范對(duì)耐候鋼疲勞性能的規(guī)定

疲勞驗(yàn)算常為鋼橋設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)，鋼材的疲勞強(qiáng)度直接影響橋梁的疲勞性能。筆者研究的兩種鋼材均為橋梁用鋼，當(dāng)用于耐候鋼橋梁時(shí)，需要考慮其在腐蝕環(huán)境中的疲勞性能。

針對(duì)免涂裝耐候鋼橋的疲勞設(shè)計(jì)，《耐候鋼橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)用指南》[20]推薦在ISO 9223[21]規(guī)定的C3和C4腐蝕環(huán)境等級(jí)中削減疲勞強(qiáng)度百分比，如表1所示，并且指出，確定耐候鋼疲勞強(qiáng)度的數(shù)據(jù)包括腐蝕后的疲勞壽命。

表1 指南推薦的免涂裝耐候鋼疲勞強(qiáng)度降低百分比Table 1 Recommended reduction percentage in fatigue strength for uncoated weathering steel by guildeline

現(xiàn)行橋梁規(guī)范考慮了腐蝕對(duì)耐候鋼疲勞強(qiáng)度的折減，各規(guī)范中考慮的折減程度有一定差別。歐洲規(guī)范疲勞細(xì)節(jié)表中規(guī)定：采用1～5疲勞細(xì)節(jié)的耐候鋼疲勞細(xì)節(jié)降低一級(jí)，2×106次循環(huán)荷載的疲勞強(qiáng)度削減幅度為10.7%～20%[22]。美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定：與普通涂裝鋼橋不同，免涂裝耐候鋼母材疲勞細(xì)節(jié)為細(xì)節(jié)B，與涂裝鋼材母材相比，免涂裝耐候鋼疲勞門檻值降低了33.3%[23]。中國(guó)鐵路鋼橋規(guī)范[24]未對(duì)耐候鋼的疲勞性能進(jìn)行特殊規(guī)定。中國(guó)公路鋼橋規(guī)范[25]僅在附錄C疲勞細(xì)節(jié)中規(guī)定：如果采用耐候鋼制造，1～5疲勞細(xì)節(jié)降低一個(gè)等級(jí)，免涂裝耐候鋼疲勞強(qiáng)度削減與歐洲規(guī)范相同。與耐候鋼腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果相比，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)免涂裝耐候鋼疲勞強(qiáng)度的削減較小，需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

2 兩種鋼材試件及其加速腐蝕試驗(yàn)

2.1 材料和試件

試驗(yàn)采用Q345CNH和HPS 485W耐候鋼進(jìn)行腐蝕后/未腐蝕的疲勞試驗(yàn)，其元素含量如表2所示。Q345CNH的屈服強(qiáng)度為345 MPa，極限拉伸強(qiáng)度為490 MPa；HPS 485W的屈服強(qiáng)度為485 MPa，極限拉伸強(qiáng)度為730 MPa。試件鋼板厚度為12 mm，采用線切割進(jìn)行加工，試件表面拋光打磨處理，試件加工尺寸如圖2所示，試件腐蝕前如圖3所示。Q345CNH試件共計(jì)10個(gè)，記為“W-SPE1-X”，其中“X”為試件序號(hào)，HPS 485W試件共計(jì)10個(gè)，記為“SPE1-X”。

表2 HPS 485W和Q345CNH鋼元素含量Table 2 Element component of HPS 485W and Q345CNH steel %

圖2 試件加工尺寸(單位：mm)Fig.2 Geometry of specimen (units:mm)

圖3 腐蝕前試件Fig.3 Uncorroded specimen

2.2 加速腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)ISO 14993[26]，腐蝕試驗(yàn)采用中性鹽霧干/濕交替加速方式進(jìn)行腐蝕。試驗(yàn)采用鹽霧腐蝕箱型號(hào)為YWX-750，容積750 L，噴霧壓力設(shè)置為110 kPa，環(huán)境溫度為35 °C，如圖4所示。試驗(yàn)采用的腐蝕溶液為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)5%的NaCl溶液，pH值為6.5。腐蝕溶液采用蒸餾水和高純度NaCl進(jìn)行配制；通過電子pH測(cè)試儀進(jìn)行溶液pH值測(cè)定；當(dāng)溶液pH值不為6.5時(shí)，采用NaOH顆粒和HCl溶液控制pH值。

圖4 鹽霧腐蝕箱Fig.4 Salt spraying corrosion box

參考ISO 14993[26]，腐蝕試驗(yàn)中一個(gè)腐蝕周期包括4 h腐蝕溶液噴霧狀態(tài)和4 h停噴狀態(tài)，一個(gè)周期合計(jì)8 h；為保證腐蝕效果，試驗(yàn)共腐蝕120個(gè)周期(40 d)。為保證試件夾持段不會(huì)因腐蝕而破壞，并方便疲勞試驗(yàn)安裝，腐蝕試驗(yàn)前用保鮮膜和透明膠對(duì)試件夾持段進(jìn)行密封。試件在腐蝕箱中并排放置，試件之間保留一定間隙，并與水平方向呈30°。其中，Q345CNH和HPS 485W均包含腐蝕試件10個(gè)，共計(jì)20個(gè)腐蝕試件。腐蝕前后的試件如圖5所示。

圖5 腐蝕試件Fig.5 Specimens for corrosion

3 兩種鋼材腐蝕后的疲勞試驗(yàn)

3.1 疲勞試驗(yàn)

疲勞試驗(yàn)采用QBG-350高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，該疲勞試驗(yàn)機(jī)最高噸位為350 kN，加載頻率為100 Hz，且試驗(yàn)頻率受試件剛度影響，動(dòng)荷載為正弦加載，如圖6所示。

圖6 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.6 High frequncy fatigue tester

對(duì)于腐蝕后的試件，試驗(yàn)前將兩端用于密封的保鮮膜去除，并打磨夾持段局部銹蝕部位，如圖7所示。試驗(yàn)加載應(yīng)力比R=0.09，荷載幅范圍為85.3～128.0 kN，各試件加載荷載幅及其應(yīng)力幅如表3所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載頻率降低0.7 Hz時(shí)，裂紋萌生約5 mm，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展至貫穿1/3橫截面所需加載循環(huán)次數(shù)在104次以內(nèi)，并以裂紋貫穿至1/3橫截面作為試件疲勞壽命。此外，若荷載循環(huán)次數(shù)超過107次仍未破壞停止試驗(yàn)。

圖7 腐蝕前后的試件Fig.7 Uncorroded/corroded specimen

表3 兩種鋼材加載荷載幅及其應(yīng)力幅Table 3 Load range and its stress range of the two kinds of steel

續(xù)表3

3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果匯總

經(jīng)過120個(gè)周期(40 d)干/濕加速腐蝕試驗(yàn)后，兩種鋼材試件的名義應(yīng)力幅(Δσ)和疲勞壽命(N)結(jié)果如圖8和圖9所示，其中，疲勞壽命取以10為底的對(duì)數(shù)坐標(biāo)。文獻(xiàn)[27]中拋光打磨后未腐蝕的兩種鋼材疲勞試驗(yàn)結(jié)果也加入到圖8和圖9進(jìn)行對(duì)比。

圖8 HPS 485W試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Fatigue result of HPS 485W specimens

圖9 Q345CNH鋼試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Fatigue result of Q345CNH specimens

試驗(yàn)結(jié)果表明，拋光打磨后未腐蝕的試件具有很高的疲勞強(qiáng)度，兩種鋼材在300 MPa應(yīng)力幅作用下沒有發(fā)生疲勞破壞，兩種鋼材各有兩個(gè)試件未破壞；腐蝕后的兩種鋼材試件疲勞強(qiáng)度顯著降低，在107次177.8 MPa應(yīng)力幅作用下均未發(fā)生疲勞破壞，其中，2個(gè)HPS 485W試件未破壞，3個(gè)Q345CNH試件未破壞；此外，與未腐蝕的試件相比，經(jīng)過腐蝕后鋼材疲勞性能大幅降低，但其試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性更小。

4 兩種鋼材腐蝕后的疲勞S-N線分析

4.1 腐蝕后的S-N線分析

根據(jù)腐蝕后試件的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，HPS 485W和Q345CNH鋼腐蝕后的S-N線可分別表示為式(1)和式(2)，兩種鋼材腐蝕后的S-N線如圖10所示，HPS 485W和Q345CNH鋼S-N線斜率分別為m=8.453 1和m=9.074 4。

lgN=25.940 8-8.453 1lgΔσ

(1)

lgN=27.271 3-9.074 4lgΔσ

(2)

對(duì)于同種鋼材，未腐蝕試件的S-N線斜率值與腐蝕后試件相同，結(jié)合前期疲勞試驗(yàn)結(jié)果[27]，采用其最低點(diǎn)作為未腐蝕試件的S-N線，即未腐蝕的HPS 485W和Q345CNH鋼S-N線分別為

lgN=27.135 0-8.453 1lgΔσ

(3)

lgN=28.488 0-9.074 4lgΔσ

(4)

圖10 兩種鋼材腐蝕后的S-N線Fig.10 S-N curve of two kinds of corroded steel

分析結(jié)果表明，腐蝕對(duì)耐候鋼和高性能鋼疲勞強(qiáng)度的降低效果顯著；未腐蝕的HPS 485W和Q345CNH鋼2×106循環(huán)荷載的疲勞強(qiáng)度分別為291.5、278.6 MPa，兩種鋼材的疲勞性能基本相同；經(jīng)過120個(gè)周期干/濕循環(huán)鹽霧腐蝕后，HPS 485W和Q345CNH鋼2×106循環(huán)荷載的疲勞強(qiáng)度分別為210.6、204.6 MPa，與未腐蝕試件相比，降低了27.8%和26.6%；腐蝕前后，HPS 485W鋼2×106循環(huán)荷載的疲勞強(qiáng)度均略高于Q345CNH鋼，腐蝕作用對(duì)兩種鋼材疲勞強(qiáng)度削減效果接近。

4.2 考慮95%保證率的S-N線分析

根據(jù)Hobbacher[28]的推薦，采用考慮95%保證率的S-N線確定方法，對(duì)兩種鋼材腐蝕后的S-N線進(jìn)行分析。其中，兩種鋼材破壞的試件數(shù)量小于10，取m=3；根據(jù)各組應(yīng)力幅及其對(duì)應(yīng)疲勞壽命計(jì)算lgC，且計(jì)算其平均值(xm)和標(biāo)準(zhǔn)差(stdv)；通過式(5)得到HPS 485W和Q345CNH鋼的k值分別為2.227和2.267，其值與試件數(shù)量有關(guān)(n)。根據(jù)式(6)得到兩種鋼材概論化后的lgC值。

(5)

lgC=xm-k·stdv

(6)

腐蝕后HPS 485W設(shè)計(jì)的S-N線如圖11所示；未腐蝕和腐蝕后Q345CNH鋼試件的S-N線如圖12所示。對(duì)前期研究得到的未腐蝕的疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行以上處理，分析未腐蝕兩種鋼材的S-N線，分別添加到圖11和圖12作為對(duì)比；其中，未腐蝕HPS 485W和Q345CNH鋼2×106循環(huán)荷載的疲勞強(qiáng)度分別為180.0、204.0 MPa，均高于FAT 160疲勞細(xì)節(jié)[27]。

圖11 腐蝕前后HPS 485W的S-N線(95%保證率)Fig.11 S-N curve of HPS 485(survival probability of 95%)

圖12 腐蝕前后Q345CNH鋼腐蝕后的S-N線 (95%保證率)Fig.12 S-N curve of Q345CNH steel(survival probability of 95%)

5 兩種鋼材腐蝕后疲勞試驗(yàn)中的銹層脫落和裂紋萌生

5.1 兩種鋼材腐蝕后疲勞試驗(yàn)中的銹層脫落

疲勞試驗(yàn)中，加載腐蝕后試件的表面銹蝕層在222.2 MPa以及更低應(yīng)力幅作用下未發(fā)生破裂；高性能鋼試件疲勞裂紋萌生時(shí)，銹蝕層發(fā)生局部破裂，如圖13(a)、(b)所示，耐候鋼試件如圖14(a)所示。當(dāng)加載應(yīng)力幅高于222.2 MPa時(shí)，表面銹層在短時(shí)間內(nèi)(104次荷載循環(huán)內(nèi))發(fā)生大面積破損和脫落，直至完全脫落，高性能鋼如圖13(c)所示，耐候鋼如圖14(b)所示。

圖13 HPS 485W鋼銹蝕層破損情況Fig.13 Broken condition of rust layer of HPS 485W

該現(xiàn)象表明，兩種鋼材在Cl離子環(huán)境中形成的銹蝕層具有一定的強(qiáng)度；在高于222.2 MPa應(yīng)力幅(最大應(yīng)力244.4 MPa)作用下銹蝕層不會(huì)破裂。Bhandaril等[11]在對(duì)坑蝕的研究中發(fā)現(xiàn)，銹層破裂是導(dǎo)致坑蝕形成的重要因素，蝕坑的尺寸影響疲勞壽命。EL may等[30]在腐蝕疲勞分析中考慮了銹層破裂的壽命，同樣表明銹層對(duì)腐蝕疲勞壽命有很大的影響。因此，銹層發(fā)生破裂，不僅會(huì)加速坑蝕過程，銹蝕層脫落后會(huì)增大鋼材應(yīng)力水平，導(dǎo)致未考慮保證率的情況下S-N線m值大于3。

5.2 兩種鋼材腐蝕后疲勞試驗(yàn)中裂紋萌生

所有腐蝕后試件的疲勞裂紋均萌生于表面坑蝕缺陷，如圖15所示。圖15 (a)為HPS 485W試件正面，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋萌生于圖中標(biāo)記部位蝕坑處，并沿箭頭方向擴(kuò)展；圖15(b)為HPS 485W試件斷面，疲勞裂紋萌生于試件側(cè)面蝕坑處，且蝕坑尺寸均大于周圍蝕坑尺寸。圖16(a)、(b)為Q345CNH耐候鋼試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋萌生于圖中標(biāo)記蝕坑處，并沿箭頭方向擴(kuò)展。

圖15 不同腐蝕試件疲勞裂紋萌生Fig.15 Initiation of fatigue crack of different corroded specimen

圖16 不同腐蝕試件疲勞裂紋萌生 Fig.16 Initiation of fatigue crack of different corroded specimen

該現(xiàn)象表明，腐蝕后耐候鋼的疲勞裂紋均萌生于蝕坑，且萌生裂紋蝕坑的尺寸均大于附近蝕坑尺寸，與Kunz等[8]的研究結(jié)論相同。

6 結(jié)論

在總結(jié)腐蝕疲勞試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼材的腐蝕疲勞性能及腐蝕后的HPS 485W和Q345CNH鋼試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究鹽霧環(huán)境對(duì)兩種鋼材疲勞強(qiáng)度的影響，得到以下結(jié)論：

1)腐蝕對(duì)鋼材的疲勞強(qiáng)度有削減作用，且疲勞細(xì)節(jié)等級(jí)越高，腐蝕作用對(duì)疲勞強(qiáng)度削減越嚴(yán)重；腐蝕環(huán)境、腐蝕時(shí)間和應(yīng)力狀態(tài)會(huì)影響疲勞強(qiáng)度的削減程度；與試驗(yàn)研究相比，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)免涂裝耐候鋼疲勞強(qiáng)度的削減較小，需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

2)經(jīng)過120周期干/濕循環(huán)鹽霧腐蝕，試件表面形成了穩(wěn)定的銹蝕層，并且兩種鋼材均具有較好的抗腐蝕性能；與前期研究相比[27]，腐蝕后的兩種鋼材數(shù)據(jù)離散性明顯降低，表明腐蝕作用對(duì)耐候鋼疲勞性能削減的規(guī)律性更強(qiáng)。

3)與前期研究相比[27]，在不考慮保證率的情況下，腐蝕后HPS 485W和Q345CNH鋼試件2×106循環(huán)荷載的疲勞強(qiáng)度分別降低了27.8%和26.6%，兩種鋼材疲勞性能基本類似；其降低百分比與《耐候鋼橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)用指南》[20]中推薦C3環(huán)境中的B類細(xì)節(jié)和C4環(huán)境中的C類細(xì)節(jié)類似。

4)與前期研究相比[27]，考慮95%保證率時(shí)，腐蝕后耐候鋼和高性能鋼2×106次荷載循環(huán)的疲勞強(qiáng)度分別為117.6、97.6 MPa，分別降低了34.7%和50.1%，大于中國(guó)公路規(guī)范[25]的規(guī)定，并且低于FAT 125要求；HPS 485W疲勞強(qiáng)度降低率低于Q345CNH鋼，具有更好的抗腐蝕疲勞性能。

5)在鹽霧環(huán)境中，無應(yīng)力狀態(tài)耐候鋼表面能夠形成致密銹和穩(wěn)定銹蝕層，應(yīng)力幅小于222.2 MPa (最大應(yīng)力244.4 MPa)時(shí)，銹蝕層只在開裂前發(fā)生局部開裂和脫落；當(dāng)試件應(yīng)力高于244.4 MPa時(shí)，銹蝕層在104次循環(huán)荷載內(nèi)全部脫落，表明銹蝕層具有一定強(qiáng)度，在較低應(yīng)力作用時(shí)能夠一定程度降低試件母材部分的應(yīng)力。兩種鋼材試件腐蝕后的疲勞裂紋均萌生于蝕坑部位，表明坑蝕是降低疲勞強(qiáng)度的重要因素。

需要針對(duì)更多腐蝕環(huán)境開展各疲勞細(xì)節(jié)耐候鋼腐蝕后的疲勞試驗(yàn)，此外，加速腐蝕試驗(yàn)需要與自然腐蝕試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。與未腐蝕狀態(tài)相比，腐蝕后構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度會(huì)大幅降低；在實(shí)際免涂裝耐候鋼橋疲勞驗(yàn)算中，需基于目前鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范，降低各構(gòu)件對(duì)應(yīng)疲勞細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度。