Q690E钢板腐蚀损伤及其腐蚀后力学性能研究

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随着我国新建钢结构建筑体量的迅速扩大以及高强钢结构设计标准的颁布,国产高强钢板在建筑结构领域中的应用将愈加广泛。近年来,国产Q690钢材在建筑结构领域的应用逐渐增多,多用于柱等结构主要受力构件中。在服役过程中,腐蚀是钢结构建筑将面临的一大耐久性问题。腐蚀会造成构件截面均匀或不均匀损伤,进而造成构件承载性能和变形性能的退化。相比于普通强度钢结构,高强钢结构构件的截面尺寸往往较小,因而对腐蚀损伤会更加敏感。针对高强钢结构面临的腐蚀耐久性问题,系统地研究高强钢板的腐蚀特征及其腐蚀后的基本力学性能具有重要意义。本文以国产Q690E钢板为研究对象,采用试验研究和理论分析相结合的手段,系统研究了腐蚀损伤以及腐蚀后钢板的力学性能。本文主要研究内容如下:(1)对Q690E钢板试件进行了不同参数下的人工加速盐雾腐蚀试验,计算了不同试验参数下钢板的平均腐蚀速率,结果表明,环境腐蚀介质、盐雾沉降方向、钢材牌号、应力状态等因素对钢板的腐蚀速率均会产生影响。清理腐蚀产物后,采用表面形貌测量系统提取了腐蚀后钢板表面的3D形貌,并基于此定义了腐蚀损伤参数,试验结果表明,腐蚀后钢板表面粗糙度与腐蚀质量损失率之间呈线性正相关关系。基于腐蚀后钢板表面的3D形貌,对不均匀腐蚀深度的发展规律加以分析,并提出了分离均匀腐蚀损伤分量和不均匀腐蚀损伤分量的方法。结果表明,不均匀腐蚀深度的极大值服从II型极值分布。腐蚀初期仅存在不均匀腐蚀分量,随着腐蚀程度加剧,均匀腐蚀分量和不均匀腐蚀分量都在逐渐增加,到腐蚀后期均匀腐蚀比重超过不均匀腐蚀。(2)分别对腐蚀前后的Q690E钢板试件进行了单调拉伸试验,得到了腐蚀前后钢板的名义屈服强度、名义极限强度、屈强比、断后伸长率等基本拉伸性能指标,并定量分析了总腐蚀损伤和腐蚀损伤分量分别对钢板单调拉伸性能的影响,得到了单调拉伸性能指标退化与腐蚀损伤程度之间的回归关系。试验结果表明,钢板的单调拉伸性能指标随总腐蚀损伤增加而线性降低,在相同腐蚀程度下变形性能退化程度远远高于强度退化程度,其中强度退化主要由均匀腐蚀损伤造成,而变形性能退化主要是由不均匀腐蚀损伤引起的。(3)分别对腐蚀前后的Q690E钢板试件进行了轴向循环加载试验,研究了腐蚀前后钢板的低周疲劳寿命、循环软化性能、耗能性能,分析了腐蚀损伤对其低周/超低周疲劳性能的影响。试验结果表明,腐蚀损伤会降低钢板的低周疲劳寿命,造成滞回曲线的退化和捏缩,腐蚀造成的粗糙表面会使裂纹的萌生提前且数量增多,进而影响应变软化速率。此外,基于非线性混合硬化模型建立了Q690E钢板的循环本构模型,结果表明该模型可以反映出钢板的循环软化特征和包辛格效应等关键特性。(4)基于不同腐蚀程度下Q690E钢板不均匀腐蚀深度的随机分布规律,提出了随机腐蚀损伤的数学模型,充分考虑腐蚀损伤的随机性,建立了带有随机腐蚀损伤的板件有限元模型。有限元分析结果与试验结果对比表明,该建模方法合理可行。此外,基于上述随机腐蚀损伤的建模方法,研究了腐蚀后Q690E钢板的受压和纯剪性能,并分析了板件极限承载力的随机性。分析结果表明,在相同的腐蚀程度下,随机腐蚀损伤板件的极限承载力服从正态分布,不同板件极限承载力对腐蚀损伤的敏感性不同。
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