Q690高强度钢T型对接接头在沿海大气环境下的力学性能实验研究

《Engineering Structures》：Experimental study on mechanical properties of Q690 high-strength steel T-stub joints in coastal atmospheric environment

　　摘要
为了研究Q690高强度钢端板螺栓连接在沿海大气环境中的机械性能退化行为，对23个T型接头试样进行了人工加速腐蚀试验和静态拉伸试验。系统地检查了试样的失效模式及其变化，并分析了腐蚀对机械性能和变形行为的影响。建立了腐蚀T型接头joint的机械模型。结果表明，在没有腐蚀损伤的情况下，试样表面呈现出均匀的金属光泽。随着腐蚀时间的增加，腐蚀产物在基材和焊趾区域积累，导致表面呈红棕色，并且螺栓端的螺纹完全消失。静态拉伸试验结果表明，增加法兰厚度可以提高初始刚度和承载能力；但在严重腐蚀条件下，由于局部损伤的影响，强化效果会显著降低。相反，减小螺栓直径或强度等级会促进焊趾处的撕裂，而腐蚀会加剧该区域的应力集中，从而导致刚度和承载能力的下降。虽然较大直径的螺栓可以减缓承载能力退化的速度，但相应的塑性仍然有限，且在严重腐蚀条件下的失效模式倾向于脆性断裂。端板螺栓连接的设计应全面考虑刚度增强与加强构件延展性限制之间的权衡，以确保在腐蚀环境中的结构安全和可靠性。所提出的简化模型可用于分析腐蚀T型接头试样的机械性能。

引言
近年来，钢结构的发展趋势越来越倾向于超高层、大跨度和重型应用，这大大促进了高强度钢（HSS）在现代工程实践中的使用。与传统结构钢相比，由于其出色的承载能力、高刚度和良好的机械性能，HSS已被广泛用于桥梁工程、海上风电场、港口起重设施等关键基础设施[1]、[2]、[3]。作为这些系统中的基本组成部分，端板螺栓连接在确保结构完整性和载荷传递效率方面起着至关重要的作用。T型接头模型作为一种简化而有效的螺栓连接表示方法，已被广泛用于研究半刚性梁柱接头的应力分布和变形行为，特别是在HSS结构中[4]、[5]、[6]、[7]。当暴露在沿海大气环境中时，钢结构会面临高湿度和氯化物沉积等恶劣条件，这些条件会显著加速腐蚀过程。先前的研究表明，腐蚀损伤会导致材料退化、截面损失和应力集中，从而对钢结构的刚度、强度和失效模式产生不利影响[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。尽管已经对普通钢材的腐蚀行为及其对结构性能的影响进行了大量研究，但现有研究主要关注材料级别的退化或普通强度钢连接接头，而对HSS制成的腐蚀端板螺栓连接的机械行为关注较少，尤其是从T型接头的角度来看。此外，腐蚀损伤与关键结构参数（如法兰厚度、螺栓直径和强度等级等）对强度和延展性的耦合效应尚未完全明确。这种系统理解的缺乏阻碍了对HSS结构连接接头进行准确评估和可靠设计。因此，实验研究对于揭示HSS T型接头在沿海大气环境中的机械性能演变和失效机制至关重要。

众所周知，HSS结构中的腐蚀损伤既普遍又隐蔽，连接区域特别容易受到严重恶化。在研究HSS的腐蚀行为和损伤机制时，Wang等人[14]选择了50 g/L NaCl溶液（pH=3.0）对HSS钢丝进行加速腐蚀试验，利用3D显微形态扫描技术观察了锈蚀钢线的表面形态，并讨论了腐蚀损伤对材料表面完整性的影响因素。Zhang等人[15]模拟了EH47高强度钢在海洋环境中的磨损和腐蚀退化行为。研究和分析表明，当NaCl溶液中的沙子含量为0.3 wt%时，对表面腐蚀形态的影响最大。此外，Wei等人[16]、[17]研究了Q690高强度钢及其对接焊缝在模拟海洋环境中的腐蚀损伤和演变机制。结果显示，热影响区（HAZ）的质量损失率和腐蚀坑深度比基材（BM）更严重。焊接残余应力可能会加速腐蚀损伤的发展。他们还将Q690高强度钢的腐蚀损伤与Q355普通钢进行了比较，发现前者具有更好的耐久性。在腐蚀后期，Q690高强度钢表面出现了局部点蚀，伴随着一定程度的锈皮剥落。由此可见，Q355普通钢和Q690高强度钢在海洋腐蚀环境中的腐蚀机制有显著差异[18]。已经有许多研究针对腐蚀螺栓连接接头的机械性能进行了探讨[19]、[20]。例如，Nie等人[21]、Li等人[22]和Wang等人[23]对高强度耐候钢制成的剪切型螺栓接头进行了加速腐蚀和静态拉伸试验。他们的研究结果一致表明，腐蚀损伤会导致螺栓的滑移阻力系数和极限承载能力下降。Wang等人[24]研究了11个HSS试样的螺栓连接接头（包括9个腐蚀试样），并验证了数值模拟的结果。研究表明，与环境腐蚀相比，环境腐蚀对延展性退化的影响相对有限。Chen等人[25]、[26]通过电化学腐蚀和剪切试验研究了机械性能的退化，并提出了一种计算滑移阻力系数的方法。结果表明，腐蚀试样在加载过程中表现出两阶段滑移行为，随后是螺栓剪切变形以及连接板在螺栓孔处的最终断裂。此外，滑移阻力系数随着腐蚀程度的增加而逐渐减小。Kong等人[27]报告称，螺栓预载的丧失显著降低了滑移阻力，而对极限承载能力的影响仍然有限。Wei等人[28]通过腐蚀和静态试验建立了腐蚀坑的几何尺寸与机械性能参数之间的定量关系，表明螺栓表面腐蚀形态的分形维数可以作为性能退化的关键指标。Qiu等人[29]研究了腐蚀对螺栓-球接头拉伸行为的影响，并开发了一个演变模型，表明当质量损失率接近螺栓的截面尺度时，机械退化速率随螺栓直径的增加而增加。此外，包括Kong等人[30]、Huang等人[31]、Chen等人[32]和Lee等人[33]、[34]在内的其他研究人员也为这一领域做出了贡献。尽管付出了这些努力，现有研究主要集中在剪切型螺栓接头的腐蚀诱导退化上。相比之下，关于Q690高强度钢T型接头在复杂和恶劣环境条件下的机械性能的研究仍然相对有限。为了填补这一研究空白，本文使用人工盐雾方法对由Q690高强度钢和高强度螺栓制成的T型接头试样进行了加速腐蚀试验，并比较了试样表面的腐蚀形态。对经过不同腐蚀时间的试样进行了静态拉伸试验，以研究其失效模式和变形特性。基于所得的载荷-位移曲线，评估了腐蚀T型接头试样的残余机械性能。系统地检查了关键参数（包括法兰板厚度、螺栓直径和强度等级、焊接加强构件的存在以及更换腐蚀螺栓）对不同腐蚀时间下试样的初始刚度、承载能力和塑性变形行为的影响。建立了Q690高强度钢腐蚀T型接头joint的机械模型，并进行了验证和误差分析。这些发现为复杂服务环境中Q690高强度钢端板螺栓连接的检测分析和损伤评估提供了宝贵的参考。

材料选型和试样设计
本文中，法兰板、腹板和加强构件由中国山东钢铁集团有限公司日照分公司生产的Q690D低合金高强度钢制成，该钢材采用热机械控制工艺（TMCP）处理。使用LMF-15直读光谱仪确定了其化学成分，以验证其符合“高强度低合金结构钢”（GB/T 1591–2018）[35]的要求。共使用了23个Q690高强度T型接头试样。

腐蚀结果分析
图5展示了不同腐蚀时间下Q690高强度钢和T型接头试样的腐蚀形态。观察到，未受腐蚀的试样表面光滑，具有明显的金属光泽。随着腐蚀时间的增加，金属光泽逐渐消失，试样表面完全被腐蚀产物覆盖。值得注意的是，腐蚀产物在焊接区和热影响区有明显的积累。

腐蚀后高强度钢T型接头joint的机械模型分析
腐蚀损伤显著降低了Q690高强度钢T型接头joint的机械性能，主要是通过截面减小、表面缺陷引起的应力集中以及塑性变形能力的降低。先前的研究表明，随着腐蚀损伤的增加，失效模式从韧性失效转变为脆性失效，并伴随着极限承载能力和延展性的显著下降[49]。因此，应适当考虑安全系数。

结论
本研究对Q690高强度钢T型接头试样进行了加速腐蚀试验，随后进行了静态拉伸试验，以研究其失效模式和机械性能退化。主要结论如下：
(a) 腐蚀损伤对Q690高强度钢T型接头试样有明显的恶化效果。显微分析进一步发现基材中广泛存在点蚀和初次裂纹的产生。这些发现证实了...

作者贡献声明
Huanhuan Wei：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，资源整理，数据管理。
Yao-Peng Liu：撰写 – 审阅与编辑，软件开发。
Yiqun Tang：撰写 – 审阅与编辑，项目管理，研究设计，资金获取。
Siu-Lai Chan：撰写 – 审阅与编辑。

利益冲突声明
所有作者均不存在任何可能的利益冲突。

致谢
作者感谢江苏省研究生研究与实践创新计划（KYCX24_0367）、东南大学博士生创新能力提升计划（CXJH_SEU 25084）以及中国研究生奖学金委员会的项目资金（202406090266）在资金上的支持。作者还要感谢编辑在稿件处理方面的无私贡献，以及审稿人为提高本研究质量所付出的努力。

Huanhuan Wei | Yao-Peng Liu | Siu-Lai Chan
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