西南交通大学土木工程学院桥梁工程系
宁波大学建筑工程与环境学院
总结
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为加深对钢桥焊接接头腐蚀疲劳问题的认识，总结了已有的研究成果，总结了钢桥腐蚀的原因和特点、焊接接头腐蚀疲劳性能的影响因素和焊接接头的腐蚀预测模型，探讨了钢桥焊接接头腐蚀疲劳研究的现状和发展趋势。针对环境腐蚀下疲劳裂纹萌发的机理，重点讨论了点蚀的疲劳损伤过程。基于3个典型的腐蚀疲劳模型（叠加模型、竞争模型和产品模型），综述了腐蚀疲劳裂纹扩展机理。本文总结了基于S-N曲线的两种主要腐蚀疲劳寿命预测方法、Miner线性累积损伤理论和基于断裂力学的裂纹扩展速率公式。结果表明：钢桥焊接接头的腐蚀疲劳表现在环境介质和循环应力驱动的裂纹扩展问题中，其疲劳失效模式、疲劳损伤机理、抗疲劳设计均较为复杂。钢桥腐蚀疲劳损伤的驱动机理、腐蚀疲劳寿命评价方法及适用的疲劳性能增强技术，是钢桥全生命周期设计理论的重要基础，也是钢桥可持续发展亟待解决的重要研究课题。
钢桥的焊接接头包含多种缺口效应结构细节，结构的疲劳强度降低较多，是抗疲劳设计的关键部分。在桥梁结构使用期间，由于环境复杂、荷载作用不确定、使用时间长，材料持续劣化，局部损伤演化导致结构劣化。许多桥梁是在海洋、工业腐蚀、酸雨等环境中架设的，承受荷载并受到SO2、雨水、盐雾等因素的影响，在考虑结构缺陷和腐蚀损坏的影响后，结构的抗断裂性会大大降低。
腐蚀和疲劳作为钢结构桥梁时变损伤的两种类型，是影响钢结构桥梁耐久性的主要因素。在腐蚀过程中，交变应力和腐蚀相互促进，加速裂纹扩展。在环境腐蚀介质和交变应力的耦合作用下，钢桥焊接接头疲劳性能的加速劣化值得关注。事实上，腐蚀疲劳在任何介质中都可能发生，即使应力强度因子小于应力腐蚀疲劳裂纹的应力强度因子阈值，疲劳裂纹仍会扩大，腐蚀疲劳裂纹的来源很多。自1917年首次提出腐蚀疲劳现象以来，国内外学者对腐蚀损伤机理、局部腐蚀规律和腐蚀疲劳损伤等进行了大量研究工作，取得了宝贵的研究成果，但主要集中在材料、机械和航空领域，研究重点是材料本身的腐蚀和疲劳。钢桥焊接接头的腐蚀疲劳行为与结构本身引起的腐蚀特性、焊接残余应力、复应力场和应力集中有关，钢桥焊接接头腐蚀疲劳损伤机理的影响因素更为复杂。早期，钢桥的腐蚀疲劳研究主要集中在没有防锈涂层保护的钢桥的风化上。20世纪90年代，国内外学者对腐蚀条件下焊接细节的疲劳性能进行了一些研究。
为加深对钢桥焊接接头腐蚀疲劳问题的认识，总结了已有的研究成果，总结了钢桥腐蚀的原因和特点、焊接接头腐蚀疲劳性能的影响因素和焊接接头的腐蚀预测模型，探讨了钢桥焊接接头腐蚀疲劳研究的现状和发展趋势。针对环境腐蚀下疲劳裂纹萌发的机理，重点讨论了点蚀的疲劳损伤过程。
1 钢桥腐蚀的原因和特点
钢桥腐蚀是指钢材与环境介质发生化学或电化学相互作用的过程，引起钢材的变化甚至破坏。钢桥腐蚀根据环境可分为大气腐蚀和海水腐蚀。大气腐蚀主要是由大气中的水分、氧气和腐蚀性介质（包括杂质、灰尘、表面沉积物等）的作用引起的。海水腐蚀主要是由海水中海洋环境中溶解氧、氯离子和生物的作用引起的。钢桥腐蚀的种类可分为均匀腐蚀和局部腐蚀。局部腐蚀包括点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳。局部腐蚀损伤集中在局部位置，造成应力集中，使钢结构更容易发生脆性断裂失效，甚至造成重大事故钢结构桥梁，因此局部腐蚀比全面腐蚀更严重。
桥梁钢结构易腐蚀部位主要有桁架结构、钢箱梁和索系统，由于不同桥梁部位的腐蚀条件不同，腐蚀条件差异很大。桁架结构。桁架结构桥面上方的钢材腐蚀因子主要是雨水侵蚀和紫外线辐射。桁架结构桥面下部的腐蚀主要是由于水蒸气的蒸发，钢结构表面形成水膜，各种污染物和灰尘的自由排放。2）钢箱梁。钢箱梁内部通风环境很差，潮湿气体积聚引起的腐蚀就是大气腐蚀。3）电缆系统。主要指悬索桥的主索和吊索、斜拉桥的索和拱桥的吊臂等，索系统的主要腐蚀类型是大气腐蚀。
钢桥所处的环境不同，影响钢桥大气腐蚀的因素一般不同，主要包括环境因素、材料因素和人为因素。由于腐蚀的影响因素较多，腐蚀过程比较复杂，不同地区差异可能很大，因此应根据当地大气腐蚀数据选择合适的腐蚀预测模型，以更好地反映实际情况。根据对世界各地钢材大气暴露腐蚀试验数据的回归分析结果，认为钢材大气腐蚀深度的发展符合幂函数定律，即：
式中：D为腐蚀深度，mm;t为暴露时间，a;A 和 n 是常量。A值相当于钢材第一年的腐蚀深度，与环境因素和钢种有关，并随着污染程度的增加而增加，取值范围一般为0.02~0.10mm。n值代表了钢材的长期腐蚀发展趋势，而锈层作为钢材大气腐蚀的产物一般具有保护作用，因此大气腐蚀是一个减缓过程，在一般环境下n为0.4~0.5，在极端环境（炎热潮湿的海洋）下可高达0.7~1.5。
2、焊接接头腐蚀疲劳裂纹扩展机理
腐蚀对疲劳的影响主要表现为疲劳缺口效应的增强和裂纹扩展速度的加快。部件在腐蚀性环境中的抗疲劳性与非腐蚀性部件的抗疲劳性存在显著差异。腐蚀疲劳在实际结构中可分为两类：第一类，腐蚀性环境中的疲劳。即结构在腐蚀介质和疲劳载荷的共同作用下的疲劳破坏;II级，预腐蚀疲劳。即结构经过一段时间的腐蚀后，再在疲劳载荷的作用下发生疲劳失效。钢在不同介质条件下的应力振幅（S）-寿命（N）曲线如图1所示。
图1 不同介质条件下钢的S-N曲线
腐蚀疲劳损伤有两种基本形式：一种是循环应力引起的疲劳损伤;二是环境介质造成的腐蚀损伤，这两种损伤不是简单的叠加，而是有明显的相互作用。腐蚀疲劳裂纹萌发机理主要与材料类型和环境有关，相同材料、不同环境、不同裂纹萌发机理;环境相同，材料不同，裂纹萌发的机理也不同。国内外学者系统研究了点蚀疲劳裂纹萌发的机理，认为点蚀疲劳损伤过程经历了凹坑形成、凹坑生长、凹坑转化为短裂纹、短裂纹扩展、短裂纹扩展和断裂七个阶段。当凹坑等效表面裂纹的应力强度因子达到疲劳裂纹扩展的应力强度因子阈值，且点蚀扩展速率小于腐蚀疲劳裂纹扩展速率时，点蚀转化为腐蚀疲劳裂纹。先前的研究表明，材料的腐蚀深度、点蚀的深度-直径比、局部应力和疲劳裂纹扩展特性是促进裂纹萌生和扩展的关键因素。一般来说，腐蚀坑并不总是形成裂纹的地方，而是有助于裂纹的形成，因为疲劳裂纹总是在应力集中度最大的地方形成，腐蚀坑的存在导致疲劳强度的降低。
腐蚀疲劳裂纹扩展的主要机理有：阳极溶解和氢诱导开裂。负极溶解是指交变应力加速金属在内部活化区的溶解而引起的断裂，一方面是由于腐蚀产物导致的裂纹闭合，另一方面是裂纹继续向前扩展，常见于低强度钢和不锈钢等低强度材料。氢诱导开裂是指金属裂纹在氢和力的共同作用下发生、扩展和断裂，常见于高强度钢中，而对于中强度钢，这两种原因都是可能的。根据（da/dN）CF与应力强度因子振幅ΔK的关系，腐蚀疲劳分为三种类型，如图2所示。在图中，（da/dN）CF为腐蚀疲劳裂纹扩展速率;（达/分）F为疲劳裂纹扩展速率。
图2 腐蚀疲劳的种类
在图2中，A型（图2a）与纯疲劳相似，适用于不产生应力腐蚀的材料体系，应力腐蚀裂纹扩展的应力强度因子的极限值大于断裂韧性的极限值。B型（图2b）与应力腐蚀疲劳相似，水平台阶和断裂韧性大于应力腐蚀裂纹扩展KISSCC（1-R）的应力强度因子阈值;C型（图2c）是A和B的混合类型。
腐蚀疲劳裂纹扩展模型主要有三种类型：叠加模型、竞争模型和产品模型。
Wei等人提出了线性叠加模型，当裂纹扩展应力强度因子大于应力腐蚀应力强度因子的阈值时，腐蚀疲劳裂纹扩展速率等于疲劳裂纹扩展速率加上应力腐蚀疲劳裂纹扩展速率，表达式为：
式中：（da/dN）SCC为应力腐蚀裂纹扩展速率。
Austen等人提出了一个竞争模型，指出腐蚀疲劳裂纹扩展速率是疲劳腐蚀和应力腐蚀竞争的结果，表达式如下：
产品模型通过试验数据对疲劳裂纹扩展速率进行校正，系数考虑了加载频率、应力比、介质浓度等因素的影响，表示如下
其中 D、m 是常数。考虑裂纹闭合和加载频率影响的腐蚀疲劳裂纹扩展速率公式：
式中：ΔKeff为等效力幅度;fH（λ）为负载频率校正函数;λ为负载频率。
3 焊接接头腐蚀疲劳寿命的评价
国内外学者对腐蚀疲劳现象进行了大量的研究和探索，提出了两种主要的腐蚀疲劳寿命预测方法：一种是基于S-N曲线和Miner线性累积损伤理论;另一种是基于裂纹扩展速率公式（da/dN）-ΔK曲线的断裂力学理论。
Albrecht等人完成了A588耐候钢十字形焊接接头的腐蚀疲劳控制试验，腐蚀疲劳寿命和纯疲劳寿命分别平均降低了40%~50%，暴露对疲劳寿命的影响不是很显著。Albrecht等人提出了一种考虑腐蚀坑截面积损失、水环境损失和应力集中系数的腐蚀钢梁残余疲劳强度测定方法。影响腐蚀梁疲劳寿命的因素有：1）厚度的减小导致截面模量减小，标称应力增大;2）腐蚀坑附近应力集中;3）腐蚀性环境中裂纹扩展率增加。腐蚀疲劳强度折减系数由以下三个系数决定：截面系数Kc、水环境系数Ke和应力集中系数Kp，表达式为：
截面系数是指由于腐蚀作用导致截面积减小而导致的强度降低系数钢结构桥梁，表达式为：
式中：FR，C为腐蚀疲劳强度;FR为空气中的疲劳强度。
水环境系数是指由于水环境而降低的强度系数：
式中：（da/dN）aq为腐蚀疲劳裂纹扩展速率;（da/dN）air是疲劳裂纹在空气中的扩展速率。
应力集中系数是指锈坑应力集中引起的强度降低系数
李彦涛等研究了海洋平台用钢板在空气、海水和阴极保护海水中三种条件下的腐蚀疲劳，结果表明，焊接接头海水在空气中的游离腐蚀疲劳寿命为1/3~1/2，且差异随应力水平的降低而增大。通过总结腐蚀疲劳相关文献，借鉴疲劳残余寿命评估的研究成果，分析腐蚀损伤对疲劳裂纹萌生和扩展的影响，并基于断裂力学对疲劳寿命进行评价。Albrecht 等人完成了对 39 根由 A588 耐候钢制成的焊接梁和 12 根盖板梁的疲劳试验。试验结果表明，在点蚀的影响下，经过62~72个月的暴露试验腐蚀，所有梁的疲劳强度均由B降低到E。Coca等指出，腐蚀和疲劳是桥梁性能退化的重要原因，桥梁在遭受腐蚀环境的同时受到各种载荷的影响，认为耦合腐蚀疲劳的寿命比非耦合腐蚀疲劳的寿命短30%。Rahgozar等人从三根腐蚀钢梁的腹板和法兰中获取了76个标准试样，并利用液压伺服疲劳试验机对每个试件进行了疲劳试验，通过腐蚀坑的深度建立了点蚀与剩余疲劳寿命的定量关系。Garbatov等人分析了小规模腐蚀钢焊接试样的疲劳强度，分析了11个腐蚀试样的表面，并利用BS 7910中的失效评估图将腐蚀坑与疲劳裂纹等同，结果表明，疲劳强度从非腐蚀性试样的86 MPa下降到腐蚀试样的65 MPa， 非腐蚀性试件的疲劳失效沿焊头，腐蚀试件的疲劳失效源于腐蚀坑。杰志宇对3种不同腐蚀损伤下全熔透轴承十字形焊接接头45°倾角进行了疲劳试验，得到了不同腐蚀状态下的S-N曲线，提出了不同腐蚀深度和应力幅值下腐蚀疲劳寿命影响系数的表达式。
焊接接头腐蚀疲劳的本质是电化学过程和机械过程的相互作用，这远远超出了循环应力和腐蚀介质单独作用的数学叠加，是一种非常严重的失效形式。与应力腐蚀类似，腐蚀疲劳的机理是多种多样的，没有适用于所有情况的统一理论，腐蚀疲劳系统也存在多种损伤机理并存。
4 结论
通过总结钢桥腐蚀的原因和特点、焊接接头的腐蚀疲劳裂纹扩展机理和腐蚀疲劳寿命评价方法，可以得出以下结论
1）腐蚀是一个非常复杂的电化学过程，影响腐蚀的因素很多，所以腐蚀坑的位置、形状和大小非常随机，很难定量描述腐蚀程度，腐蚀坑相当于一个缝隙还是一个裂纹还很不清楚。根据对世界各地钢材大气暴露腐蚀试验数据的回归分析结果，认为钢材大气腐蚀深度的发展符合幂函数定律。
2）钢桥焊接接头的腐蚀疲劳表现在环境介质和循环应力驱动的裂纹扩展问题中，其疲劳失效模式、疲劳损伤机理、抗疲劳设计等均较为复杂。腐蚀和疲劳引起的两类损伤不是简单地叠加在一起，而是有明显的相互作用。目前，腐蚀疲劳裂纹扩展模型主要包括叠加模型、竞争模型和产品模型。
3）现有研究结果表明，耦合腐蚀疲劳的寿命比非耦合腐蚀疲劳的寿命短30%~50%。常采用基于现有腐蚀疲劳试验数据的S-N曲线法和基于裂纹扩展速率腐蚀效应校正（da/dN）-ΔK公式的断裂力学法来评价钢桥焊接接头的腐蚀疲劳寿命。
4）与应力腐蚀类似，焊接接头中腐蚀疲劳的机理也是多种多样的，没有适用于所有情况的统一理论，腐蚀疲劳系统也存在多种损伤机理并存。
资料来源：卫星、杰志宇、廖晓轩等. 钢结构桥梁焊接接头腐蚀疲劳研究进展[J].钢结构， 2019， 34（1）： 108-112
DOI：10.13206/j.gjg.201901022
