关键词： 锈蚀结构钢；台状蚀坑；应力集中系数；三维有限元模型；蚀坑参数
长期腐蚀环境作用下 ，即便对钢结构采取了有效的 防腐方法与构造措施 ，其锈蚀问题仍无法彻底避免［1-2］。 结构钢受锈蚀侵害后 ，其表面将出现大量尺寸不一 、形状 各异的蚀坑 ，不仅使得结构表面粗糙 ，还会减小其有效截 面面积，降低构件承载性能与抗变形能力［1-10］。
锈蚀结构钢表面因蚀坑产生的局部应力集中效应 ， 不仅造成其承载能力的退化 ，而且在蚀坑处易形成疲劳 裂纹［9-10］，从而引发钢材的断裂失效 。 因此 ，大量学者针 对锈蚀钢板应力集中效应展开了深入研究 。在分析锈蚀 钢板应力集中时 ，通常基于蚀坑简化模型 ，如半椭球体 、 半球体 、圆锥体或圆柱体［11-16］等 。然而 ，应力集中程度由 结构局部形状突变决定 ，对于具有复杂形貌特征的点蚀 坑而言 ，形状的过度简化势必降低应力集中的分析精度 ， 从而影响对在役钢结构的进一步有效评估 。
蚀坑形貌的复杂性与其自身演化行为密切相关 。起 初 ，萌生于结构钢表面的蚀坑多为独立小规模微孔状；随 着腐蚀程度的加深 ，蚀坑纵向发展速率逐渐小于横向发 展速率 ，致使其形状趋于扩口状 。该过程中 ，相邻蚀坑极 易因自身发展而发生连接与叠合［17-19］。 因此 ，结构钢在 长期腐蚀损伤沉积作用下便形成了具有多阶构造的台状 蚀坑 。与独立蚀坑相比 ，台状蚀坑因多阶效应而引发了 更为复杂的形貌改变 ，从而导致更为显著的应力集中效 应 。部分学者将复杂蚀坑等效为主次坑非偏斜叠合的中 心对称体（如台阶型半球体等），并揭示了其应力及应变 的分布规律 ，即坑口与坑底处的高应力水平与显著的应 变累积［13-14］。这无疑忽略了真实锈坑的形貌特征 ，导致 很难提出锈蚀钢应力集中的有效预测方法 。
因此 ，本文首先通过人工加速腐蚀试验获得一批锈 蚀钢板 ，并对其表面台状蚀坑进行统计分析 ，确定台状蚀 坑尺寸区间并加以分类 ；然后 ，采用有限元方法 ，建立不 同形状尺度的三维台状蚀坑有限元模型 ，系统地研究了 在单轴拉伸作用下结构钢表面台状蚀坑体态倾角 θ 以及 台阶宽度比 R 对应力集中系数 Kt 的影响规律；最后，基于 不同台阶宽高比 S 状态下的台状锈蚀有限元模型分析结 果 ，并结合 R 与θ 对 Kt 的影响规律 ，建立了台状蚀坑 Kt 计 算模型 。该研究成果可用于分析锈蚀损伤对在役钢结构 应力及应变分布的影响 ，评判应力集中程度 ，确定既有钢 结构的安全薄弱区与启裂位置 ，为后续锈蚀钢结构损伤评定与性能评估提供技术指导 。
1 试验研究
1 . 1 人工加速腐蚀试验
人工加速腐蚀试验钢材选用 Q235 钢 ，其尺寸为 100 mm× 20 mm× 8 mm 。参 考《金 属 和 合 金 的 腐 蚀 户 外 周 期 喷 淋 暴 露 试 验 方 法》（GB/T 24517—2009），加 速 腐 蚀 试验采用 5%NaCl 溶液（质量分数）喷雾干湿交替环境模 拟 自 然 大 气 中 的 钢 结 构 腐 蚀 。 腐 蚀 环 境 温 度 控 制 为 （28±1）℃ , 相对湿度为 90% 。腐蚀溶液每喷淋 30 min， 间歇 10 min，24 h 为一个循环 。本次腐蚀试验设置 5 个龄 期 ，分别为 42 d、78 d、108 d、156 d 和 214 d 。待各龄期腐 蚀试验结束后 ，采用物理法去除试件表面氧化层 。各腐 蚀龄期锈蚀试件如图 1 所示 。
1 .2 试件表面形貌测量
本试验采用 XTOM-MATRIX 非接触三维轮廓扫描 仪对除锈后的试件进行全表面形貌测量（图 2），该设备精 度为 10 μm 。测试的测量步距为 15 μm 。 为过滤测量结 果中的奇异噪点 ，需将锈蚀表面扫描点云数据导入 Geomagic Studio 进行降噪与连续化处理 。然后 ，再采用 Surfer 软 件 构 建 出 各 试 件 锈 蚀 表 面 的 可 视 化 三 维 模 型（图 3）。
由图 3 可见 ，随着腐蚀作用的持续 ，试件表面蚀坑不 断发展 ，当其扩展到一定规模时 ，相邻蚀坑逐渐接触 、交 叠 ，甚至合并 ，加快了宏观表面缺陷聚合 。各腐蚀龄期试 件表面均可发现具有显著尺寸的宏观缺陷（图 3），但其剖 面轮廓均为典型台阶状 ，除对称台阶轮廓外 ，绝大数表现 为偏斜台阶状 。相比于独立蚀坑 ，台状蚀坑不仅尺寸较 大 ，造成的试件表面局部形状突变也更明显 ，在外荷载作 用下 ，其引起的应力集中现象更为严重 ，故属于危险 蚀坑 。
根据台状蚀坑的相貌特征 ，本文将台状蚀坑简化为 由两个半椭球体叠加而成 ，其主要量化参数为主坑宽度
w1、主坑深度 d1、次坑宽度 w2 和次坑深度 d2 。本文根据 主次坑过渡台阶的周向宽度将台状蚀坑进行分类 ，定义 周向台阶较窄处长度为 S1，较宽处长度为 S2，二者之比为 R（R =S1/S2），因 此 ，可 根 据 R 值 将 台 状 蚀 坑 分 为 以 下 3 种类型（图 4）：（1）当 0 .9≤R≤1 .0 时 ，台状蚀坑为双侧等 台 阶 型 ；（ 2 ）当 0 .1<R<0 .9 时 ，台 状 蚀 坑 为 双 侧 偏 台 阶 型；（3）当 0≤R≤0 .1 时，台状蚀坑为单侧台阶型 。
............ 略 ............
4 结论
（1）随 着 腐 蚀 程 度 的 加 深 ，锈 蚀 结 构 钢 表 面 蚀 坑 形 貌愈发复杂 ，易出现带有阶梯状的台状蚀坑 ，其类型可根 据主 、次坑过渡台阶的周向较窄台阶与较宽台阶之比 R 定 义 为 ：双 侧 等 台 阶 型（0 .9≤R≤1 .0）、双 侧 偏 台 阶 型
（0 .1<R<0 .9）以及单侧台阶型（0≤R≤0 .1）。
（ 2 ）台状蚀坑体态倾角 θ 的变化导致应力线作用蚀 坑投影面积发生改变，从而引起应力集中系数 Kt 的变化 。 通过有限元计算结果可知 ，Kt 随 θ 的增大呈线性增加 ，当 θ = π/2 时 ，Kt 达到最大值 ，与此同时 ，台状蚀坑内部高应 力区域由次坑逐渐向主坑扩展 。
（3）台状蚀坑内部次坑偏移将造成蚀坑局部形状发 生二次改变 。 随着腐蚀程度的加深 ，台状蚀坑 R 值逐渐 减小 ，单侧过渡台阶逐渐变短 ，加剧了蚀坑局部形状突 变 ，Kt 不断增大 。 即单侧台阶型所引起的应力集中效应 最明显 ，其次为双侧偏台阶型 ，双侧等台阶型所引起的应 力集中效应相对最小 。
（4）台阶宽高比 S 可作为台阶参数量化指标 。 随着 S 的 增 大 ，Kt 逐 渐 增 大 ；但 由 于 腐 蚀 后 期 蚀 坑 扩 展 纵 向 慢 、横向快的演化特征 ，蚀坑内部形貌阶梯效应有所缓 和 ，导致 Kt 增幅减小并趋于平缓 ；最后 ，基于 Kt 随 S 的变 化 关 系 ，综 合 考 虑 R 与 θ 对 Kt 的 影 响 效 应 ，建 立 了 Kt 随 R、θ 以及 S 变化的综合计算模型 。该模型可以精确求得 台状蚀坑 Kt 的大小，判断锈蚀钢表面的危险蚀坑，为后续 既有钢结构损伤评定与性能评估提供技术指导 。
参考文献：略
