0 引言

随着对桥梁结构在荷载等级、跨度、整个寿命周期的成本等方面提出了更高的要求，设计施工对材料的要求也相应提高。与普通桥梁用钢相比，高性能钢(HPS)在强度、延性、耐候性和疲劳性方面都有自身的优越性。

目前，国内外对锈蚀钢筋和高强钢筋已进行了大量研究，建立了不同腐蚀条件下锈蚀钢筋的本构模型^[1-4]。在高性能钢方面，施刚和班慧勇等通过对Q460和Q960高强度结构钢材力学性能的研究和总结，提出了高强钢多折线材料本构模型^[5-7]。王卫永等主要研究了Q460钢材的高温力学性能，得到了钢材的力学性能指标随温度变化的函数表达式^[8]。段兰对HPS485W试件进行拉伸试验，得到了不同板厚HPS485W的屈服强度等力学性能指标^[9]。张全成等研究了近海大气中耐候钢和碳钢抗腐蚀性能，得出两类材料的腐蚀深度和腐蚀时间的关系方程^[10]。史炜洲等研究了在盐雾加速腐蚀下Q235B钢材的力学性能，得到了各力学指标与失重率的关系式^[11-12]。

高性能钢桥梁结构在腐蚀环境下，其安全性和耐久性会降低。因此研究腐蚀对高性能钢力学性能的影响十分重要。本研究着重研究在通电加速腐蚀下锈蚀对高性能钢Q550E力学性能指标的影响，建立了腐蚀影响下高性能钢本构关系模型。

1 试验设计 1.1 试件的制作

本试验试件以山东某股份有限公司济南分公司生产的8 mm厚Q550E钢板为试验材料，参照GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》^[13]的具体要求，在钢板宽度1/4处采用全厚度方式切取样坯。钢板材料的化学成分和机械性能符合GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》^[14]中的标准要求，相关数据如表 1所示。钢板质量保证书提供了Q550E钢板的拉伸试验数据：屈服强度为671 MPa，抗拉强度为693 MPa。

材料拉伸试验的试件均为矩形截面，具体尺寸根据GB/T 228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》^[15-16]确定，如图 1所示。试验设计了5个目标质量锈蚀率为：0，5%，10%，15%，20%。其中每个锈蚀率试件个数为6个，共计30个。

1.2 腐蚀方案

试验前用电子天平(精确至0.01 g)称量并记录每件试件初始质量，然后采用实验室外加电流局部加速锈蚀试件，来模拟桥梁结构用钢在实际工程中的腐蚀状况。具体方法是：首先为防止拉伸试验时试件夹持两端锈蚀破坏，用环氧树脂涂抹夹持端并用绝缘胶带将其包裹密实；然后用铜丝将24个标准试件中间平行段(即试件拉伸时工作段)串联起来，将其放进质量分数约5%的氯化钠溶液塑料槽中浸泡；最后用电线将直流稳压稳流电源的正负极分别与试件上的铜丝及用作负极的不锈钢相连。外加电流加速腐蚀过程见图 2。本试验将电流控制在3 A，根据法拉第定律，通过控制时间来控制质量锈蚀率，以便获取不同目标质量锈蚀率的钢板试件。

在每达到一个预定锈蚀通电时间后，依次取出6个试件。参考GB/T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》^[16]中的钢筋锈蚀试验：用12%的盐酸溶液对锈蚀试件进行酸洗，经清水漂洗后，再用石灰水中和，最后用清水冲洗干净，放入干燥皿中6 h。然后对锈蚀试件进行编号，用电子天平(精确至0.01 g)称量试件的质量，计算试件的质量锈蚀率。其中，试件质量锈蚀率定义为：

(1)

式中，η_s为腐蚀钢材试件的质量锈蚀率；m₀为构件腐蚀前的质量; m为构件腐蚀后的质量。

1.3 拉伸试验

试验根据GB/T 228.1—2010《金属材料室温拉伸试验方法》^[15]进行，试验拉伸设备采用微机控制电液伺服万能试验机，准确度等级为0.5级。

材料拉伸试验采用位移控制的加载方式。试验开始前，将标距为50 mm的引伸计尽量夹在试件锈蚀最严重的部位。在试件的弹性阶段和屈服阶段，采用位移速度为2 mm/min的定值加载。试件屈服后将位移速度调整为10 mm/min。此后在荷载出现下降趋势时，为防止引伸计被破坏，及时摘下引伸计。然后继续以10 mm/min的位移速度将试件拉断。试件拉断后，用电子游标卡尺(精确至0.01 mm)量取标距范围内试件的伸长量，计算试件的伸长率。

2 试验结果及分析 2.1 3D激光扫描

通过FARO 3D激光扫描仪扫描试件，扫描结果如图 3所示。从图 3可以看出：锈蚀率在5%左右时，试件表面蚀坑主要呈椭球形，蚀坑宽度大，深度小，分布分散；当锈蚀率达到10%时，蚀坑宽度和深度继续增长，部分区域连接在一起。同时蚀坑数量增长速度很快，在试件表面形成密集的小蚀坑群。锈蚀率在达到15%的过程中，试件表面蚀坑深度增长明显，蚀坑呈椭球型和马鞍形，并连接在一起形成平行于试件方向的长条状蚀坑。随着锈蚀率增加到20%，蚀坑逐渐增长为局部大蚀坑。这一研究发现与文献[16-17]的结论是一致的。

2.2 破坏形态

各腐蚀试件拉断后，断裂面发生在截面锈蚀最严重的部位。未锈蚀的试件有明显的颈缩现象，随着锈蚀率的增加，颈缩现象逐渐不明显。这是因为随着锈蚀率的增大，腐蚀试件表面的蚀坑深度和数量均增大，延性下降，表现为脆性破坏。

腐蚀试件的断面形式主要有3种：一是锯齿状断面，包括未腐蚀和腐蚀率小于10%的试件；二是劈裂式断面，断面较平整，与试件轴线大致呈45°夹角。腐蚀率大于20%的试件发生这种形式断裂。三是锯齿状和劈裂式两者的结合。具体断面形式如图 4所示。

2.3 荷载-位移曲线

按照上述拉伸试验方法完成试验后，得到了高性能钢Q550E各锈蚀试件的屈服强度、抗拉强度、伸长率及弹性模量。试验分为5组，每组包含6个试件，表 2列出了每组试件在对应腐蚀率条件下的力学指标平均值。

图 5给出了高性能钢Q550E部分拉伸试件(每个锈蚀率取6个试件)的荷载-位移曲线。试验结果表明：在实验室外加电流加速腐蚀高性能钢Q550E试件，随着质量锈蚀率的增加，腐蚀试件承受屈服荷载和极限荷载的能力逐渐降低，变形能力也逐渐下降。当试件的质量锈蚀率达到20%时，试件在拉伸过程中无明显的屈服现象，屈服平台逐渐减短至消失。

2.4 高性能钢腐蚀试件力学性能分析

受腐蚀高性能钢力学性能的变化与腐蚀程度有直接关系。参考文献[18]的力学指标，本研究着重研究受腐蚀Q550E钢材的屈服强度f_y、抗拉强度f_u、延伸率δ_s及弹性模量E_s的下降与钢材质量锈蚀率η_s的关系。

通过对表 2中各项力学性能数据运用最小二乘法线性回归(图 6)，得到受腐蚀后Q550E钢材的屈服强度f_yc、抗拉强度f_uc、伸长率δ_sc及弹性模量E_sc的变化与锈蚀率η_s的关系式分别为：

(2)

(3)

(4)

(5)

图 6中屈服强度相对值、抗拉强度相对值、伸长率相对值、弹性模量相对值分别为腐蚀试件屈服强度f_yc、抗拉强度f_uc、伸长率δ_sc、弹性模量E_sc与未腐蚀试件屈服强度f_y、抗拉强度f_u、伸长率δ_s、弹性模量E_s的比值。

由图 6可知，高性能钢Q550E的力学性能随着锈蚀率的增大表现出如下特征：

(1) 随着锈蚀率的增大，钢材的屈服强度，抗拉强度呈现出逐渐下降的趋势。由于蚀坑的不均匀分布，使试件的应力-应变曲线发生变化，钢材的屈服点和应力峰值降低。

(2) 伸长率随着锈蚀率的增大呈现显著下降的规律。试件伸长率的下降程度远大于试件锈蚀率、屈服强度、极限强度的下降程度。锈蚀率为6.71%，12.09%，16.71%，21.64%的试件的伸长率分别下降了12.31%，21.94%，30.69%，41.48%。

(3) 在腐蚀试件的应力-应变曲线中，屈服平台逐渐缩短直至消失。原因是随着锈蚀率的增大，蚀坑的数量和深度相应变大，钢材的延性性能减小，逐渐由延性破坏转变为脆性破坏。

(4) 随着锈蚀程度的增加，钢材的弹性模量逐渐减小，屈强比保持不变。

3 腐蚀高性能钢与普通钢试件力学性能对比分析

同济大学史炜洲等人^[11]在2012年通过室内盐雾加速腐蚀的试验方法研究了普通钢结构用钢Q235B试件腐蚀后的力学性能。在史炜洲等人的研究中，重点探讨了受腐蚀Q235B钢材的屈服强度、抗拉强度以及延伸率的下降与钢材失重率的关系。其失重率的定义与本研究质量锈蚀率的定义相同。现在我们对两种材料的力学性能退化程度进行定量的对比分析。为了避免试件厚度的影响，我们从中提取8 mm厚腐蚀试件的试验数据。对比结果发现：高性能钢比普通钢有更强的抵抗腐蚀退化和变形的能力。

4 腐蚀影响下高性能钢应力-应变关系模型

根据腐蚀影响下高性能钢试件拉伸试验数据以及对各项力学性能指标的分析，发现试件的力学性能呈现出明显的退化现象。随着质量锈蚀率的增大，钢材的屈服强度、抗拉强度和极限变形能力降低，屈服平台逐渐缩短直至消失。通过试验结果分析，腐蚀试件屈服平台消失时的临界锈蚀率是20%。因此本研究使用如图 7所示的腐蚀试件本构关系模型。

假设试件的屈服平台长度随着锈蚀率的增大按照线性规律缩短，并考虑锈蚀率的影响，图 7中各关键参数的计算方法如下：

(6)

(7)

(8)

式中，f_yc，f_uc由式(2)和式(3)确定。考虑到试件拉伸试验过程中应变变化与伸长率变化规律相同，所以极限应变的计算参考伸长率退化回归公式。参数λ₁，λ₂的取值由拉伸试验中6个未锈蚀试件的试验数据统计确定，取λ₁=7，λ₂=27。其取值意义是在未锈蚀试件的应力-应变曲线上，屈服平台长度是屈服应变的λ₁倍；未锈蚀试件极限应变是屈服应变的λ₂倍。

5 结论

通过对加速锈蚀的Q550E钢材试件进行拉伸试验，发现了锈蚀率对高性能钢材力学性能的影响规律，建立了本构关系模型，对比分析了相同锈蚀率下Q550E和Q235B的力学性能退化程度，得出以下主要结论：

(1) 腐蚀影响下高性能钢力学性能的退化与腐蚀程度有直接关系。钢材的屈服强度、抗拉强度、伸长率、弹性模量随着质量锈蚀率的增大而逐渐下降。其中伸长率的下降程度远大于钢材屈服强度、抗拉强度的下降程度。

(2) 在腐蚀试件的应力-应变曲线中，屈服平台逐渐缩短甚至消失。随着质量锈蚀率的增大，蚀坑的数量和宽度变大，钢材的延性性能减小，逐渐由延性破坏转变为脆性破坏。

(3) 在增加相同锈蚀率下，Q550E的屈服强度、抗拉强度和伸长率比Q235B的下降程度小，高性能钢比普通钢有更强的抵抗腐蚀退化和变形的能力。

(4) 根据试验结果，运用线性回归的方法得到腐蚀影响下Q550E钢材试件屈服强度、抗拉强度、伸长率、屈强比及弹性模量与质量锈蚀率之间的数学关系式，建立了应力-应变本构关系模型，为腐蚀环境下高性能钢Q550E在桥梁工程结构中可靠性与耐久性的评估提供了参考。