0 引　言

舰船甲板使用的特种混凝土在实际应用过程中，均面临海洋腐蚀-疲劳耦合环境，该环境会对甲板特种混凝土造成化学腐蚀与机械疲劳的耦合作用，如海浪的冲击和交变应力，形成“腐蚀-疲劳”耦合损伤机制，导致甲板结构发生损坏^[1]，降低其使用寿命。因此，可靠掌握舰船甲板用特种混凝土在海洋腐蚀-疲劳耦合环境下的损伤情况，判断其使用寿命，是实现舰船结构全生命周期管理的重要依据。

陈富康等^[2]结合流体-结构耦合解耦技术跟踪碰撞过程中应力场分布、结构变形及能量吸收，分析结构在碰撞时的损伤变化情况，确定影响船体结构变形和损伤的关键机理；然而，该方法对环境腐蚀影响的分析较少，分析结果存在显著局限性。吕政达等^[3]通过非线性有限元数值仿真软件模拟甲板在总纵弯曲、局部压力等复杂载荷下的屈曲破坏模式，结合极限承载力试验判断甲板的强度变化情况；但是，该方法未充分考虑这些复杂工况的耦合效应，难以全面反映耦合效应下的强度变化情况。周家有等^[4]通过非线性有限元方法进行甲板数值模拟，分析甲板结构在各个撞击模式下的损伤变形情况，以此计算甲板结构的整体抗力和能量耗散情况；然而该方法未考虑海洋环境导致的腐蚀、疲劳损伤，无法预测长期性能退化。赵南等^[5]构建甲板结构冗余度可靠性极限状态模型，并结合有限元软件计算可靠性指标和失效概率，分析甲板在不同环境条件下的状态变化；但该方法仅考虑静态承载能力，无法全面评估甲板的可靠性。

为分析舰船甲板用特种混凝土损伤情况，弥补现有研究中未充分考虑腐蚀-疲劳耦合效应的不足，并且满足舰船甲板的实际运行环境^[6]，在海洋腐蚀-疲劳耦合环境下，本文对该混凝土的损伤情况进行预警试验，为舰船结构全生命周期管理提供可靠依据。

1 舰船甲板用特种混凝土损伤预警 1.1 特种混凝土试件制备

舰船甲板特种混凝土样本构建前，需选择相关材料，文中结合实际应用情况，选择各个材料的物理性能如表1所示。

海砂中含有较多氯盐及贝壳等杂质，其氯离子含量约为0.08 %，矿物组成中以石英为主，含少量钠长石与碳酸盐碎片；河砂氯离子含量低于0.01 %，矿物组成较为单一，主要为石英和少量云母。这2种骨料在氯离子侵蚀能力、界面粘结性能等方面存在显著差异，是影响混凝土在海洋腐蚀-疲劳耦合环境下耐久性能的关键因素。因此分别制备使用海砂和使用河砂的两种混凝土样本，模拟海洋环境下天然骨料（海砂）与常规骨料（河砂）对混凝土耐久性的影响，样本的配合比详情如表2所示。按照表2中的配合比制备2种舰船甲板特种混凝土样本，即T₁和T₂，制备的样本为立方体，立方体的边长尺寸是100 mm×100 mm×100 mm。

1.2 海洋腐蚀-疲劳耦合环境模拟 1.2.1 环境模拟详情

海洋腐蚀-疲劳耦合环境的详细情况如下所述：

1）疲劳环境设置。文中选择疲劳加载装置进行2种舰船甲板特种混凝土样本T₁和T₂的疲劳损伤试验，该装置结构示意图如图1所示。

图1中，主要包括作动器、加载框架、上下支承辊轴及控制系统。试件放置于四点弯曲支承系统上，作动器通过伺服电机驱动，实现等幅或变幅疲劳加载。该装置可模拟舰船甲板在实际服役中承受的波浪冲击、设备振动等交变应力状态。

疲劳加载装置工作时，主要通过静载加载破坏、四点等幅重复疲劳加压进行样本T₁和T₂的疲劳测试。设置荷载施加的极限承载力为F_max，5 %F_max为疲劳试验的疲劳荷载下限，疲劳上限分别设置为50%和70%，加载频率为2.5 Hz。进行循环加载，加载次数为200 万次，加载至疲劳荷载上限后，转换为静载加载，直至样本T₁和T₂破坏。

2）海洋腐蚀环境模拟。以《人造气氛腐蚀试验盐雾试验》相关标准为依据，通过高温加速循环盐雾腐蚀模拟方法进行海洋腐蚀环境模拟。盐雾干湿交替循环是高温盐雾和低温盐雾2种环境之间的循环，前者为15 d，后者为1 d，在2种环境中进行疲劳加载试验。模拟的海洋腐蚀环境详情如表3所示。

1.2.2 海洋腐蚀-疲劳耦合试验步骤

在海洋腐蚀-疲劳耦合环境下对样本T₁和T₂进行疲劳耦合试验，步骤如下：

1）常规疲劳试验。通过疲劳加载装置以及试验标准分别对T₁和T₂进行疲劳试验。

2）干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验：依据疲劳加载装置和模拟的海洋腐蚀环境进行T₁和T₂的循环耦合试验。该试验是在不同应力变幅下，进行高温盐雾湿腐蚀→低温盐雾干腐蚀→疲劳应力循环→高温盐雾湿腐蚀→低温盐雾干腐蚀→疲劳应力循环的干湿盐雾不均匀腐蚀与疲劳交替循环耦合模式，直至舰船甲板特种混凝土样本发生疲劳断裂，此时记录疲劳断裂的循环次数，并分析该循环次数下的弹性模量E_a以及样本的腐蚀状态，其中腐蚀状态通过抗压强度耐腐蚀系数$ \xi $表示。

1.3 疲劳损伤预警模型

如果样本的初始弹性模量用E₀表示，依据该模量计算疲劳试验过程中的疲劳模量E_e，其计算公式为：

$ {E_e} = {E_0} - \xi S。$

(1)

式中：S为疲劳寿命。

将样本在试验过程中的破坏弹性模量E_a与E₀的比值定义为临界损伤变量g₀，其计算公式为：

$ {g_o} = \frac{{{E_a}}}{{{E_0}}} 。$

(2)

依据线性损伤理论计算样本的疲劳损伤变量，其计算公式为：

$ {g_i} = 1 - {g_o} = 1 - \frac{{{E_e}}}{{{E_0}}}。$

(3)

将式（3）代入式（1）中得出：

$ S = \frac{{{g_i}{E_0}}}{\xi } $

(4)

通过式（4）计算的S结果即可判断T₁和T₂的疲劳损伤程度，S值越大表示样本的疲劳损伤程度越严重，韧性越差；$ S $的值越小表示样本的疲劳损伤程度越小。将S的结果与设定的疲劳寿命预警阈值S₀进行对比，如果S>S₀，则表示样本的疲劳损伤较小；如果S=S₀，表示样本的疲劳损伤达到极限，发送极限预警；如果S<S₀，表示样本的疲劳损伤严重，发送损伤预警。

2 性能测试分析 2.1 疲劳损伤分析

依据海洋腐蚀-疲劳耦合试验方法对T₁和T₂两种舰船甲板特种混凝土样本的抗压强度耐腐蚀系数，计算结果如图2所示。

图2展示了2种混凝土样本在盐雾干湿交替循环过程中抗压强度耐腐蚀系数的变化情况。该系数定义为经历一定循环次数后试件抗压强度与初始强度的比值，反映混凝土在腐蚀–疲劳耦合作用下力学性能的退化程度。对图2测试结果进行分析后得出：随着盐雾干湿交替循环次数的增加，2种样本的抗压强度耐腐蚀系数均呈现下降趋势，表明混凝土在腐蚀-疲劳耦合作用下的耐久性能逐渐劣化。其中：

1）T₁样本的整体耐腐蚀性能优于T₂样本，在循环次数较高时（>150万次），T₁的耐腐蚀系数下降更为缓慢，其初期抗腐蚀-疲劳耦合损伤能力较强；在150万次循环后，T₁耐腐蚀系数虽出现下降，但仍维持在较高水平，说明其长期耐久性较好。

2）T₂样本在50万次循环后即出现较明显的耐腐蚀系数下降，表明其抗腐蚀-疲劳耦合能力较弱；在100万次循环后，T₂的耐腐蚀系数已显著低于T₁，说明其长期服役性能较差。

综上所述：可依据文中方法在海洋腐蚀-疲劳耦合环境中分析特种混凝土的耐久性，并且可确定相较于加入河砂的常规骨料样本T₂，加入海砂的天然骨料样本T₁的耐久性能更好。

2.2 疲劳模量分析

设置0.3、0.5、0.7的不同应力比（交变应力幅值与混凝土静载极限强度的比值），模拟舰船甲板在实际运行中承受的不同强度疲劳载荷。依据1.2小节的海洋腐蚀-疲劳耦合试验方法，在增加盐雾干湿交替循环次数的情况下，测试T₁和T₂两种舰船甲板特种混凝土样本在不同应力比下的疲劳模量分析结果，如表4所示。

由表4可知，随着循环加载次数的增加，2种样本在所有应力比下的疲劳模量均呈现显著下降趋势，表明混凝土在腐蚀-疲劳耦合作用下的刚度逐渐退化，损伤累积加剧。

1）初始阶段（50万次）：T₁在该阶段的疲劳模量分别为33.6、30.8、28.7，表现出较高的初始刚度。T₂在应力比为0.3、0.5、0.7下的疲劳模量分别为30.1、28.8、22.6，普遍低于T₁。

2）中期阶段（100万次～150万次）：T₁在该阶段的疲劳模量仍保持在26.2以上，具有良好的损伤耐受性。T₂在该阶段的疲劳模量已降至15.2，说明T₂在高应力下损伤发展更快。

3）后期阶段（200万次）：T₁在该阶段的疲劳模量出现急剧下降，尤其在应力比0.7下，模量降至13.1，表明在高应力与高循环次数耦合作用下，T₁的损伤累积进入加速阶段。T₂在该阶段的疲劳模量进一步下降至12.2（0.7应力比）。

2.3 疲劳寿命预测预警分析

对T₁和T₂的疲劳寿命进行预测以及预警测试，在预警阈值为80万次的情况下，获取100万次盐雾干湿交替循环测试下的疲劳寿命预测以及预警结果，如表5所示。

由表5可知，随着NaCl溶液浓度的升高，2种样本的预测疲劳寿命均呈现下降趋势，表明氯离子侵蚀加剧材料损伤，缩短其服役寿命。但在所有浓度条件下，T₁的疲劳寿命均高于预警阈值（80万次）；且未触发预警，表明其在实际工程中具有较高的安全冗余度。在NaCl浓度为7%和8%时，T₂的疲劳寿命低于80万次，触发“损伤预警”，表明其在高盐雾环境中服役风险较高。

加入海砂的特种混凝土T₁样本的疲劳寿命优于加入河砂的特种混凝土R2样本，进一步验证T₁样本在腐蚀-疲劳耦合环境下具有更优的耐久性能，在各类盐度环境下均表现出更优的疲劳寿命与预警安全性，为其在舰船甲板中的推广应用提供了重要依据。

为验证本文提出的基于线性损伤理论的预警模型的实际应用性能，将其与经典的Miner线性累积损伤准则以及非线性损伤Chaboche模型进行对比，利用某港口码头面板混凝土在类似盐雾–疲劳耦合作用下的现场监测数据对模型预测结果进行验证。在相同的海洋腐蚀-疲劳耦合环境下，分别应用上述3种模型对T₁、T₂样本在应力比0.5、NaCl浓度7 %条件下的疲劳寿命进行预测。各模型的预测寿命与本文试验实测寿命的对比结果如表6所示。

由表6可知，在实验室条件下，本文模型对T₁和T₂样本的寿命预测与试验值完全吻合，偏差为0。Miner准则预测结果明显偏于危险，因其未考虑腐蚀环境与疲劳的耦合强化效应。Chaboche非线性模型精度较高，但预测值仍略大于试验值，且其参数确定过程复杂。由此可知，本文提出的线性损伤预警模型，在保持线性模型简洁性的基础上，通过引入基于疲劳模量演化的损伤变量，有效捕捉了混凝土在腐蚀-疲劳耦合作用下的损伤本质。其预测精度高于传统Miner准则，工程适用性优于参数复杂的非线性模型，为实现舰船甲板混凝土结构的精准寿命预测与及时预警提供了可靠工具。

3 结　语

本研究通过设计海洋腐蚀-疲劳耦合环境试验，系统分析了2种舰船甲板用特种混凝土（T₁与T₂）在盐雾干湿交替与疲劳荷载耦合作用下的损伤演化规律，并建立基于疲劳模量与损伤变量的损伤预警模型。主要结论如下：

1）首次将海洋腐蚀环境与疲劳荷载进行耦合试验设计，模拟舰船甲板真实服役条件，弥补现有研究中“仅考虑静态载荷或单一环境因素”的不足。

2）提出基于疲劳模量演化的损伤变量计算方法，结合阈值判断实现混凝土结构寿命的实时预警，为舰船甲板结构的全生命周期管理提供理论支持与实用工具。

3）通过对比海砂与河砂混凝土的性能差异，明确材料配合比优化在提升海洋工程结构耐久性方面的重要性，为特种混凝土的设计与应用提供数据支撑。