摘要

為深化對鋼橋焊接節(jié)點腐蝕疲勞問題的認(rèn)識，通過對既有研究成果進(jìn)行梳理，從鋼橋腐蝕原因及特點、焊接節(jié)點腐蝕疲勞性能影響因素及焊接節(jié)點腐蝕預(yù)測模型等方面進(jìn)行了總結(jié)，探討了鋼橋焊接節(jié)點腐蝕疲勞研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。針對環(huán)境腐蝕下疲勞裂紋萌生機理，重點討論了點蝕疲勞損傷過程。基于3種典型的腐蝕疲勞模型(疊加模型，競爭模型和乘積模型)，對腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機理進(jìn)行了綜述。對基于S-N曲線、Miner線性累積損傷理論和基于斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展速率公式的兩種主要的腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法進(jìn)行了歸納。研究結(jié)果表明：鋼橋焊接節(jié)點腐蝕疲勞體現(xiàn)為環(huán)境介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力雙重驅(qū)動下的裂紋擴(kuò)展問題，其疲勞破壞模式、疲勞損傷機理、抗疲勞設(shè)計等問題更為復(fù)雜；鋼橋腐蝕疲勞損傷驅(qū)動機理、腐蝕疲勞壽命評估方法及適用的疲勞性能強化技術(shù)，是鋼橋的全壽命周期設(shè)計理論的重要基礎(chǔ)和鋼橋可持續(xù)發(fā)展亟待解決的重要研究課題。

鋼橋焊接節(jié)點包含多種缺口效應(yīng)構(gòu)造細(xì)節(jié)，構(gòu)造處疲勞強度降低較多，是抗疲勞設(shè)計的關(guān)鍵部位。橋梁結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)，由于所處環(huán)境復(fù)雜、荷載作用不確定、服役時間長，使材料不斷劣化，局部損傷演化造成結(jié)構(gòu)劣化。橋梁所處地理位置千變?nèi)f化、氣候條件復(fù)雜，很多橋梁架設(shè)在海洋、工業(yè)腐蝕、酸雨等環(huán)境中，承受載荷并受到SO2、雨水、鹽霧等多種因素的影響，在計入結(jié)構(gòu)缺陷和腐蝕損傷帶來的影響后，結(jié)構(gòu)的抗斷能力會大幅度降低。

作為鋼結(jié)構(gòu)橋梁兩類時變損傷，腐蝕與疲勞是影響鋼結(jié)構(gòu)橋梁耐久性的主要因素。腐蝕過程中，交變應(yīng)力和腐蝕相互促進(jìn)加速了裂紋的擴(kuò)展。環(huán)境腐蝕介質(zhì)與交變應(yīng)力耦合作用下，鋼橋焊接節(jié)點的疲勞性能的加速劣化問題值得關(guān)注。實際上在任何介質(zhì)中腐蝕疲勞均可能出現(xiàn)，即使應(yīng)力強度因子小于應(yīng)力腐蝕疲勞裂紋應(yīng)力強度因子門檻值時，疲勞裂紋仍會擴(kuò)展，腐蝕疲勞裂紋源有多處。自1917年首次提出腐蝕疲勞現(xiàn)象以來，國內(nèi)外學(xué)者在腐蝕損傷機理、局部腐蝕規(guī)律以及腐蝕疲勞損傷等方面做了許多研究工作，取得了有價值的研究成果，但主要集中在材料、機械及航空等領(lǐng)域，研究重點是材料本身的腐蝕和疲勞。鋼橋焊接節(jié)點的腐蝕疲勞行為與腐蝕特征、焊接殘余應(yīng)力、復(fù)雜應(yīng)力場及構(gòu)造本身引起的應(yīng)力集中程度等有關(guān)，鋼橋焊接節(jié)點腐蝕疲勞損傷機理的影響因素更復(fù)雜。鋼橋腐蝕疲勞研究早期主要集中在無防銹涂層保護(hù)的耐候鋼橋梁上。20世紀(jì)90年代國內(nèi)外學(xué)者對焊接細(xì)節(jié)腐蝕條件下疲勞性能開展了一些研究。

為深化對鋼橋焊接節(jié)點腐蝕疲勞問題的認(rèn)識，通過對既有研究成果進(jìn)行梳理，從鋼橋腐蝕原因及特點、焊接節(jié)點腐蝕疲勞性能影響因素及焊接節(jié)點腐蝕預(yù)測模型等方面進(jìn)行了總結(jié)，探討了鋼橋焊接節(jié)點腐蝕疲勞研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。針對環(huán)境腐蝕下疲勞裂紋萌生機理，重點討論了點蝕疲勞損傷過程。

1 鋼橋腐蝕原因及特點

鋼橋的腐蝕是指鋼材與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用從而引起鋼材材質(zhì)變化甚至破壞的過程。鋼橋腐蝕按所處的環(huán)境可分為大氣腐蝕和海水腐蝕。大氣腐蝕主要是受大氣中的水分、氧氣和腐蝕介質(zhì)(包括雜質(zhì)、塵埃、表面沉積物等)的作用而引起的破壞。海水腐蝕主要是由于海水中的溶解氧、氯離子和海洋環(huán)境生物的作用而導(dǎo)致的破壞。鋼橋中的腐蝕類型可以分為均勻腐蝕和局部腐蝕。局部腐蝕又包括點蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。局部腐蝕破壞集中在局部位置，從而引起應(yīng)力集中，使鋼結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生脆性斷裂破壞，甚至引起重大的事故，所以局部腐蝕比全面腐蝕的危害更嚴(yán)重。

橋梁鋼結(jié)構(gòu)的易腐蝕部位主要包括桁梁結(jié)構(gòu)、鋼箱梁和纜索系統(tǒng)，由于不同橋梁部位的腐蝕條件存在差異，導(dǎo)致腐蝕情況有很大的不同。1)桁梁結(jié)構(gòu)。桁梁結(jié)構(gòu)橋面板以上部位的鋼腐蝕因素主要是雨水侵蝕和紫外線照射等。桁梁結(jié)構(gòu)橋面板以下部位的腐蝕主要是由于水蒸氣蒸發(fā)，在鋼結(jié)構(gòu)表面形成水膜，同時還有自由排放的各種污染物和粉塵等作用。2)鋼箱梁。鋼箱梁內(nèi)部的通風(fēng)環(huán)境很差，由于潮濕氣體的聚集引起銹蝕，所以鋼箱梁的主要腐蝕類型是大氣腐蝕。3)纜索系統(tǒng)。主要指懸索橋的主纜和吊索、斜拉橋的拉索以及拱橋的吊桿等，纜索系統(tǒng)的主要腐蝕類型是大氣腐蝕。

鋼橋所處的環(huán)境不同，影響鋼橋大氣腐蝕的因素一般也不同，主要包括環(huán)境因素、材料因素和人為因素。由于腐蝕影響因素眾多，腐蝕過程比較復(fù)雜，不同地域可能差別很大，所以應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇髿飧g數(shù)據(jù)來選擇合適的腐蝕預(yù)測模型，才能更好地反映實際情況。根據(jù)世界各國關(guān)于鋼材大氣暴露腐蝕試驗數(shù)據(jù)回歸分析的結(jié)果，認(rèn)為鋼的大氣腐蝕深度的發(fā)展符合冪函數(shù)規(guī)律，即：

式中：D為腐蝕深度，mm；t為暴露時間，a；A、n為常數(shù)。A值相當(dāng)于鋼材第1年的腐蝕深度，與環(huán)境因素和鋼種有關(guān)，隨著污染程度的增加而增加，取值范圍一般在0.02～0.10 mm。n值表示鋼材長期腐蝕發(fā)展趨勢，銹蝕層作為鋼的大氣腐蝕產(chǎn)物，一般具有保護(hù)作用，因此大氣腐蝕是一個減緩的過程，一般環(huán)境下n為0.4～0.5，極端環(huán)境(濕熱海洋)可高達(dá)0.7～1.5。

2 焊接節(jié)點腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機理

腐蝕對疲勞的影響主要表現(xiàn)在對疲勞缺口效應(yīng)的強化及加速裂紋擴(kuò)展速度。腐蝕環(huán)境下構(gòu)件的耐疲勞性能與未腐蝕構(gòu)件的耐疲勞性能存在著明顯的差異。腐蝕疲勞在實際結(jié)構(gòu)中可以分為兩類：I類，腐蝕環(huán)境下的疲勞。即結(jié)構(gòu)在腐蝕介質(zhì)和疲勞載荷共同作用下而發(fā)生的疲勞破壞；II類，預(yù)腐蝕疲勞。即結(jié)構(gòu)在腐蝕一段時間后再受到疲勞荷載作用而發(fā)生的疲勞破壞。鋼在不同介質(zhì)條件下的應(yīng)力幅(S)-壽命(N)曲線如圖1所示。

圖1 鋼在不同介質(zhì)條件下的S-N曲線

腐蝕疲勞中存在兩種基本的損傷形式：一是循環(huán)應(yīng)力引起的疲勞損傷；二是由環(huán)境介質(zhì)引起的腐蝕損傷，兩種損傷不是簡單疊加，而是存在明顯的交互作用。腐蝕疲勞裂紋萌生機理主要與材料的類型和所處的環(huán)境有關(guān)，材料相同，環(huán)境不同，裂紋萌生機理不同；環(huán)境相同，材料不同，裂紋萌生機理也不同。國內(nèi)外學(xué)者對點蝕疲勞裂紋萌生機理進(jìn)行了系統(tǒng)研究，認(rèn)為點蝕疲勞損傷過程經(jīng)歷了7個階段：蝕坑形成、蝕坑增長、蝕坑轉(zhuǎn)變?yōu)槎塘鸭y、短裂紋增長、短裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)殚L裂紋、長裂紋擴(kuò)展和斷裂。當(dāng)蝕坑等效表面裂紋的應(yīng)力強度因子達(dá)到了疲勞裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子門檻值，點蝕擴(kuò)展速率小于腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率時，點蝕向腐蝕疲勞裂紋轉(zhuǎn)變。既有研究表明：腐蝕深度、點蝕的深徑比、局部應(yīng)力和材料的疲勞裂紋擴(kuò)展特性是促進(jìn)裂紋萌生和擴(kuò)展的關(guān)鍵因素。一般說來，腐蝕坑并不總是形成裂紋的地方，而是有助于裂紋的形成，因為疲勞裂紋總是在最大應(yīng)力集中的地方形成，腐蝕坑的存在會導(dǎo)致疲勞強度的降低。

腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機理主要有：陽極溶解和氫致開裂。陽極溶解指的是交變應(yīng)力加速內(nèi)部活化區(qū)金屬的溶解而導(dǎo)致的斷裂，陽極溶解一方面由于腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致裂紋閉合，另一方面使裂紋不斷向前擴(kuò)展，常見于低碳鋼、不銹鋼等低強度的材料。氫致開裂指的是金屬在氫和力的共同作用下裂紋的萌生、擴(kuò)展和斷裂，常見于高強度鋼，而對于中等強度的鋼，以上兩種原因都有可能。根據(jù)(da/dN)CF與應(yīng)力強度因子幅ΔK的關(guān)系，把腐蝕疲勞分為3種類型，如圖2所示。圖中，(da/dN)CF為腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率；(da/dN)F為疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

圖2 腐蝕疲勞類型

圖2中，A類型(圖2a)類似于純疲勞，適用于不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的材料體系，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子界限值大于斷裂韌性；B類型(圖2b)類似于應(yīng)力腐蝕疲勞，出現(xiàn)水平臺階，斷裂韌性大于應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子門檻值KISSCC(1-R)；C類型(圖2c)是A和B的混合類型。

腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型主要分為3種：疊加模型、競爭模型和乘積模型。

Wei等提出了線性疊加模型，當(dāng)裂紋擴(kuò)展應(yīng)力強度因子大于應(yīng)力腐蝕應(yīng)力強度因子門檻值時，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率等于疲勞裂紋擴(kuò)展速率加上應(yīng)力腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率，表達(dá)式為：

式中:ΔKeff為等效應(yīng)力幅；fH(λ)為加載頻率修正函數(shù)；λ為加載頻率。

3 焊接節(jié)點腐蝕疲勞壽命評估

國內(nèi)外學(xué)者對腐蝕疲勞現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究和探索，提出了兩種主要的腐蝕疲勞壽命預(yù)測方法：一種基于S-N曲線和Miner線性累積損傷理論；另一種是基于裂紋擴(kuò)展速率公式(da/dN)-ΔK曲線的斷裂力學(xué)理論。

Albrecht等完成A588耐候鋼十字形焊接接頭腐蝕疲勞對照試驗，腐蝕疲勞壽命和純疲勞壽命相比分別平均降低了40%～50%，暴露面對疲勞壽命的影響不是很顯著。Albrecht等提出了確定腐蝕鋼梁剩余疲勞強度的方法，該方法考慮了截面面積的損失、水環(huán)境和銹蝕坑的應(yīng)力集中系數(shù)。影響腐蝕梁疲勞壽命的因素：1)厚度減小導(dǎo)致截面模量的降低，名義應(yīng)力增大；2)腐蝕坑附近的應(yīng)力集中；3)腐蝕環(huán)境中的裂紋增長率增加。腐蝕疲勞強度降低系數(shù)由以下3個系數(shù)決定：截面系數(shù)Kc，水環(huán)境系數(shù)Ke和應(yīng)力集中系數(shù)Kp，表達(dá)式為：

截面系數(shù)指的是由于腐蝕導(dǎo)致截面面積減小而導(dǎo)致的強度降低系數(shù)，表達(dá)式為：

李言濤等通過對海上平臺用鋼板在空氣中、海水中和海水中有陰極保護(hù)3種條件下的腐蝕疲勞進(jìn)行研究，結(jié)果表明：焊接接頭的海水自由腐蝕疲勞壽命為空氣中的1/3～1/2，隨應(yīng)力水平的降低差異增大。戰(zhàn)昂通過總結(jié)腐蝕疲勞相關(guān)的文獻(xiàn)，借鑒疲勞剩余壽命評估的研究成果，分析腐蝕損傷對疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的影響，基于斷裂力學(xué)對疲勞壽命進(jìn)行評估。Albrecht等完成了A588耐候鋼制造的39根焊接梁和12根蓋板梁的疲勞試驗。試驗結(jié)果表明：受點蝕影響，經(jīng)歷62～72個月的暴露試驗腐蝕后，所有梁的疲勞強度由B級降低到E級。Coca等指出腐蝕和疲勞是引起橋梁性能退化的重要原因，橋梁在遭受腐蝕環(huán)境影響的同時，還受到各種不同荷載的作用，認(rèn)為耦合腐蝕疲勞的壽命比不耦合腐蝕疲勞的壽命小30%。Rahgozar等從3個腐蝕鋼梁的腹板和翼緣獲得76個標(biāo)準(zhǔn)試件，采用液壓伺服疲勞試驗機對每個試件進(jìn)行疲勞試驗，通過腐蝕坑深度建立了點蝕和剩余疲勞壽命的定量關(guān)系。Garbatov等分析小規(guī)模腐蝕鋼焊接試件的疲勞強度，對11個腐蝕試件的表面進(jìn)行分析，采用BS 7910規(guī)范中失效評估圖將腐蝕坑等效為疲勞裂紋，結(jié)果表明：疲勞強度由非腐蝕試件的86 MPa降低到腐蝕試件的65 MPa，非腐蝕試件的疲勞失效是沿著焊趾，而腐蝕試件的疲勞失效均起源于腐蝕坑處。揭志羽對3種不同腐蝕損傷下的45°傾角全熔透承載十字形焊接節(jié)點進(jìn)行疲勞試驗，得到不同腐蝕狀態(tài)下S-N曲線，提出了不同腐蝕深度和應(yīng)力幅下的腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)的表達(dá)式。

焊接節(jié)點腐蝕疲勞本質(zhì)是電化學(xué)過程和力學(xué)過程的相互作用，這種相互作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)單獨作用的數(shù)學(xué)疊加，是一種非常嚴(yán)重的破壞形式。與應(yīng)力腐蝕類似，腐蝕疲勞的機理也是多種多樣，沒有適用于所有情況的統(tǒng)一理論，同樣對于一個腐蝕疲勞體系，也存在多種損傷機理共存的情況。

4 結(jié)論

通過對鋼橋腐蝕原因及特點、焊接節(jié)點腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機理及腐蝕疲勞壽命評估方法的歸納總結(jié)，可以得出以下結(jié)論：

1)腐蝕是一個非常復(fù)雜的電化學(xué)過程，影響腐蝕的因素很多，因此腐蝕坑形成的位置、形狀和大小都具有很大的隨機性，定量描述腐蝕程度比較困難，腐蝕坑等效為缺口或者是裂紋還很不明確。根據(jù)世界各國關(guān)于鋼材大氣暴露腐蝕試驗數(shù)據(jù)回歸分析的結(jié)果，認(rèn)為鋼的大氣腐蝕深度的發(fā)展符合冪函數(shù)規(guī)律。

2)鋼橋焊接節(jié)點腐蝕疲勞體現(xiàn)為環(huán)境介質(zhì)和循環(huán)應(yīng)力雙重驅(qū)動下的裂紋擴(kuò)展問題，其疲勞破壞模式、疲勞損傷機理、抗疲勞設(shè)計等問題更為復(fù)雜。腐蝕和疲勞引起的兩種損傷不是簡單疊加，而是存在明顯的交互作用。目前腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型主要包括了疊加模型、競爭模型和乘積模型。

3)既有研究成果表明，耦合腐蝕疲勞的壽命比不耦合腐蝕疲勞的壽命小30%～50%。基于既有腐蝕疲勞試驗數(shù)據(jù)建立的S-N曲線方法和基于裂紋擴(kuò)展速率腐蝕影響修正(da/dN)-ΔK公式的斷裂力學(xué)方法常用于鋼橋焊接節(jié)點腐蝕疲勞壽命評估。

4)與應(yīng)力腐蝕類似，焊接節(jié)點腐蝕疲勞的機理也是多種多樣的，沒有適用于所有情況的統(tǒng)一理論，同樣對于一個腐蝕疲勞體系，也存在多種損傷機理共存的情況。