冷弯薄壁型钢腐蚀研究现状及展望

聂 彪，徐善华

(西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055)

20世纪40年代以来，冷弯薄壁型钢由于其质量轻、强度大、刚度大和易于加工等优点，被广泛应用。在美国，冷弯薄壁型钢用量达到建筑用钢的45%，夏威夷州甚至超过一半的居民住宅是冷弯薄壁型钢建造的[1-2]，此外，日本、澳大利亚等国家也在广泛使用冷弯薄壁型钢。冷加工造成冷弯薄壁型钢材强度提高而延性下降，与普通热轧钢存在一定差异。然而，随着冷弯薄壁型钢的大量应用，许多长期处于腐蚀环境下的钢结构，出现了较为严重的腐蚀问题[3](如图1所示)。腐蚀引起钢结构截面减小和表面粗糙不均匀，从而导致钢材强度、延性和疲劳性能下降。目前，国内外对钢结构腐蚀问题主要集中在普通热轧钢，而且研究较为广泛，成果也较为显著。然而，对锈蚀冷弯薄壁型钢的研究还未见报道，因此，开展锈蚀冷弯薄壁型钢的研究，具有重要的理论意义和工程实用价值。

图1 冷弯薄壁型钢锈蚀Fig.1 Corroded cold-formed thin-walled steel

1 国内外研究现状及发展动态

目前针对冷弯薄壁型钢腐蚀开展的研究工作几乎还是空白，已开展的研究工作主要针对热轧钢，本文主要介绍钢材腐蚀机理、腐蚀程度与表面形貌表征方法、腐蚀对钢材力学性能的影响和冷弯薄壁型钢屈曲承载力计算方法等方面的研究现状。

1.1 钢材腐蚀机理

腐蚀现象极为常见，很早就被广泛关注，美国试验与材料学会早在1916年就开始对大气腐蚀进行研究，我国于20世纪50年代对不同腐蚀环境(大气、海水、土壤) 的钢材进行了大量研究[4]。钢结构腐蚀的机制主要是受到大气中所含水分、氧气和腐蚀性介质的联合作用而引起的电化学破坏[5]。大气腐蚀(电化学腐蚀)是最主要的钢结构腐蚀，主要包括：一般大气、工业大气和海洋大气腐蚀。一般大气和工业大气腐蚀主要是由于SO2的排放，导致空气中硫酸盐含量增加引起的腐蚀；而海洋大气腐蚀主要是由海水中Cl-引起的腐蚀，不同腐蚀介质对腐蚀行为的过程和机理有不同影响[6-7]。

通常认为冷加工对腐蚀有不利影响，包括均匀腐蚀和点蚀。FU et al[8]通过电化学腐蚀试验，对冷加工不锈钢耐腐蚀性进行显微观察，结果表明，冷加工在钢材基体中产生了高缺陷，导致钝化膜破坏，降低了耐腐蚀性。NAKHAIE et al[9]通过恒电位和动电位试验，分析不同冷加工程度对钢材点蚀的影响，研究表明，冷加工在铁素基体和Mns的界面处，加速了夹杂物的溶解。FOROULIS et al[10]对热处理后的冷加工铁进行了腐蚀速度测量，结果表明，冷加工后的铁腐蚀速率增加，特别是加热(77～100 ℃)处理后。TEFEC et al[11]通过腐蚀试验统计了不同程度冷加工钢材的点蚀分布和尺寸，分析了冷加工对点蚀大小和数量的影响，结果表明，冷加工增加了45%的点蚀面积。

综上所述，冷加工产生的微裂缝和残余应力会促进钢材腐蚀，但是目前研究主要针对不锈钢，其研究成果不一定适用于冷加工热轧钢腐蚀领域，另外冷弯薄壁型钢表面还具有镀锌层(镀铝锌)，镀锌层(镀铝锌)对钢材腐蚀机理也会有不同的影响，因此需要对表面镀锌(镀铝锌)的钢板冷加工后的腐蚀性能进行更深入的研究。

1.2 钢材腐蚀程度和表面形貌表征方法

国内外学者一直以来采用宏观指标质量损失率(厚度损失率)来表征钢材腐蚀程度，然而，并没有考虑钢材腐蚀表面形貌特征，随着检测手段的发展，DUQUESNAY et al[12]研究发现，蚀坑深度是预测试件疲劳寿命的合适参数，并且建议在实际工程中，用最大蚀坑深度作为预测锈损钢材疲劳寿命指标；但是SANKARAN et al[13]通过试验研究了点蚀对疲劳寿命的影响，结果表明，所测得的疲劳寿命通常与平均蚀坑深度而不是最大蚀坑深度的预测结果一致；徐善华等[14]用最小截面平均厚度损失率表征锈蚀程度，结果表明，极限强度和屈服强度与平均厚度损失率呈线性关系；安琳等[15]采用了最大截面损失率，研究了最大截面损失率对钢筋力学性能的影响；陈露[16]采用线粗糙度检测仪对不同环境下锈蚀钢材表面形貌进行测量，研究了锈蚀钢材表面分形特征，并建立了不同环境下钢材质量损失率与分形维数的定量关系。XU et al[17]对钢材锈蚀程度的表征方法进行了总结，划分为宏观和细观评价指标，见表1.锈蚀钢板表面粗糙不平，如图2所示，其形貌表征方法也有少量研究，蒋庆[18]以Weierstrass-Mandelbrot函数模型为基础对钢板表面锈蚀轮廓进行了表征，结果表明该模型表征锈蚀钢材表面形貌是合适的； MELCHERS et al[19]和RAHHAR-RANJI[20]使用功率谱的方法对锈蚀钢板不规则表面进行了表征，并且用非线性有限元法对其极限强度进行了计算。

图2 锈蚀钢板表面形貌Fig.2 Surface morphology of corroded steel plate

通过上述分析可以看出，钢材锈蚀程度的表征方法已经进行了较多研究，但是研究内容不同表征方法也会发生变化，甚至相同研究内容表征方法也不相同，锈蚀程度的表征方法并没有统一结论，因此适合的锈蚀程度表征方法还需要进行更深入研究。对于冷弯薄壁型钢而言，由于腐蚀机理和力学性能不同，钢材锈蚀程度的表征方法有可能也会发生变化，现有表征方法不一定适合锈蚀冷弯薄壁型钢，因此需要对锈蚀冷弯薄壁型钢的评价方法和指标体系进行研究。

1.3 腐蚀对钢材力学性能的影响

安琳等[15]利用加速腐蚀试验得到了质量损失率为0～55%的不同锈蚀程度的热轧钢筋，测得了最大截面损失率，结果表明，锈蚀与未锈蚀钢筋估计的名义强度可近似取锈蚀后的最大残余面积率，受坑蚀影响较小，而断后延伸率随最大截面损失率呈指数下降，受锈坑应力集中的影响显著。魏瑞演[21]对6组不同海洋大气腐蚀时间和位置的Q235钢材进行了研究，结果表明，腐蚀导致屈服强度、极限强度和伸长率显著降低，并且降低趋势与腐蚀程度成正比，另外屈服强度比随腐蚀程度的加剧而增大。文献[22-23]通过盐雾箱试验得到锈蚀钢板，而后进行单调拉伸试验，得到了锈蚀钢材的屈服强度、极限强度和伸长率下降与失重率之间的关系。文献[16，24]采用室内加速腐蚀方法，得到了不同环境下(酸性土壤、盐性土壤、酸性大气、盐性大气和干湿循环)锈蚀钢板，研究表明，随锈蚀率增大屈服强度、极限强度线性减小而伸长率呈幂函数降低。NAKAI et al[25-27]采用人工打孔的方法模拟坑蚀，得到了不同坑蚀深度和密度的钢板，结果表明，坑蚀导致锈蚀钢材的强度和延性急剧下降。对于腐蚀冷弯薄壁型钢也有少量研究，徐善华等[14]对工业环境下服役10年的冷弯薄壁型钢进行了单调拉伸试验研究，分析了不同腐蚀类型(点蚀和全面腐蚀)对钢材力学性能的影响，结果表明，点蚀试件屈服平台和颈缩段消失，而全面腐蚀试件达到较大腐蚀程度时才会出现这种现象。另外，屈服强度、极限强度、伸长率、极限位移和弹性模量都随腐蚀程度增大而降低。对于锈蚀后钢材力学性能预测，国内外提出了许多预测公式，WANG et al[28]对锈蚀钢板力学性能预测公式进行了汇总，如表2所示。

表1 腐蚀评价指标汇总Table 1 Summary of corrosion evaluation indexes

以上研究结果表明，腐蚀对钢材力学性能影响主要原因是：截面的减小和表面锈坑引起的应力集中。截面的减小会减小极限荷载，后者会导致名义强度、塑性性能和疲劳性能降低。冷弯薄壁型钢力学性能跟热轧钢并不同，并且其锈蚀表面特征和坑蚀分布规律也不尽相同，锈蚀对冷弯薄壁型钢材料力学性能的影响也有可能有较大变化，因此需要更多的试验对锈蚀冷弯薄壁型钢材料力学性能进行深入研究。

表2 锈蚀钢材力学性能预测公式Table 2 Prediction formula of mechanical properties of corroded steel plate

1.4 冷弯薄壁型钢稳定承载力计算方法

对于一些冷弯薄壁型钢结构，达到屈曲荷载并不会破坏，屈曲后强度还可以利用，其主要原因是板在一个方向受外力作用而凸曲时，在另一个方向上产生的薄膜拉力会对板件起到支持作用，从而增强板的抗弯刚度，进而提高板的强度[29]。研究表明，薄壁结构局部屈曲后强度有较大提高[30]，畸变屈曲后强度也有提高但是没有局部屈曲后提高幅度大[31-32]，而整体屈曲后强度无明显提高。

早期一般采用有效宽度法计算冷弯薄壁结构局部屈曲承载力。1932年KARMAN et al第一次提出“有效宽度法”的概念，该方法通过板件有效宽度上均匀分布应力代替实际板件非均匀分布应力，如图3所示。该方法主要难点是如何确定有效宽度，现有有效宽度计算都是由Winter有效宽度公式发展而来，计算公式如下：

当λ<0.673时，be=b.

(1)

(2)

图3 板件有效宽度Fig.3 Effective width of plate

有效宽度法计算冷弯薄壁型钢构件时，需要计算每个板件截面特性和有效宽度，计算复杂。随着冷弯薄壁型钢截面形式的多样化，构件受力的复杂化，导致有效宽度法越来越难以满足实际工程的应用，并且有效宽度方法很难考虑畸变屈曲对承载力的影响。为了简化设计方法，满足实际工程的应用，部分学者提出了新的设计方法，即直接强度法[33]。直接强度法采用的是整个构件的弹性屈曲应力，避免了对每个板件的屈曲应力计算。下面给出了北美规范直接强度法计算冷弯薄壁型钢轴压承载力(整体稳定、局部稳定和畸变稳定承载力)公式。

整体稳定性承载力计算公式：

(3)

(4)

局部稳定性承载力计算公式：

当λ1≤0.776时，Fnl=Fne.

(5)

当λ1>0.776时，

(6)

畸变稳定性承载力计算公式：

当λ1≤0.561时，Fnd=Fy.

(7)

当λ1>0.561时，

(8)

以上分析表明，冷弯薄壁型钢屈曲后强度可以利用，但是锈蚀以后构件截面粗糙，屈曲后强度可能发生较大变化。从上述承载力计算公式可以看出，难点主要是弹性屈曲应力的计算，对于未锈冷弯薄壁型钢可以通过理论公式、有限元法、有限条法、广义梁法等进行计算，最常用的是使用有限条法软件CUSUM，因为其应用简单方便，但是锈蚀构件表面并不均匀，该方法不再适用，因此锈蚀冷弯薄壁型钢弹性屈曲荷载计算方法还需要进一步研究。大量试验和理论都验证了有效宽度法和直接强度法计算冷弯薄壁型钢承载力的可靠性，但是锈蚀以后截面厚度和表面形貌都发生较大变化，现有的有效宽度法和直接强度法是否适用于锈蚀冷弯薄壁型钢构件还需要进一步验证，因此需要开展锈蚀冷弯薄壁型钢构件试验研究，提出适用于锈蚀冷弯薄壁型钢构件承载力计算方法。

2 冷弯薄壁型钢腐蚀研究展望

现有文献主要针对锈蚀热轧钢腐蚀机理、表面形貌特征、力学性能退化进行了较为广泛的研究，但很少涉及锈损冷弯薄壁型钢，因此需要对其进行更加深入的研究。本文认为今后需要开展的工作主要包括以下几点：

1) 冷弯薄壁型钢腐蚀机理和评价方法研究。冷弯薄壁型钢具有表面镀锌(镀铝锌)和经过冷加工等特点，需对其独有的腐蚀机理进行深入的研究；利用先进的检测技术(X射线断层扫描、白光干涉测量和白光共聚焦等技术)对锈蚀钢材(平板和弯角)进行表面细观特征测试，分析表面形貌参数，提出腐蚀评价方法和指标体系。

2) 锈损冷弯薄壁型钢材料力学性能退化规律研究。通过单调拉伸试验，揭示锈损冷弯薄壁型钢材料(平板和弯角)力学性能退化机理，建立腐蚀评价参数和屈服强度、极限强度、伸长率、屈强比等性能指标的关系，提出锈损冷弯薄壁型钢材料(平板和弯角)和腐蚀评价参数有关的单调拉伸本构模型。

3) 锈损冷弯薄壁型钢构件(梁和柱)弹性屈曲研究。通过试验研究和有限元模拟，揭示锈损冷弯薄壁型钢构件弹性屈曲性能(局部屈曲、畸变屈曲和整体屈曲)退化机理，建立锈损冷弯薄壁型钢构件弹性屈曲应力理论计算公式，通过简化或等效等手段，提出通过软件CUFSM计算弹性屈曲应力的模型。

4) 锈损冷弯薄壁型钢构件承载力(梁和柱)研究。通过锈损冷弯薄壁型钢柱和梁的试验和有限元模拟，分析锈损冷弯薄壁型钢构件屈曲后性能，揭示锈损冷弯薄壁型钢构件承载力(局部屈曲承载力、畸变屈曲承载力和整体屈曲承载力)退化机理，通过对现有直接强度法和有效宽度法进行改进，提出锈损冷弯薄壁型钢构件承载力计算方法。