近年来，国内外关于高强钢力学性能的研究迅速发展，涉及土木工程、冶金工程、机械工程等多个学科领域。

高强钢（HSS，名义屈服极限不低于460 MPa）具有承载力高、韧塑及耐候性良好、抗疲劳等优点。焊接加工后，高强钢连接节点传荷能力较为可靠，因此采用高强钢的承重构件能够减小其截面尺寸，降低结构体系用钢量，提高建筑空间利用率，这符合节能减排、绿色环保的设计理念，具有十分明显的社会效益和经济效益。基于此高强钢作为工程建造的重要材料运用于建筑工程结构如北京奥运国家体育场、大跨度桥梁工程如港珠澳大桥及其他不规则复杂结构设计中。

迄今为止，已建高强钢工程结构均服役于近海海岸、酸雨或工业大气等极端复杂环境中，其耐久性问题日益突出，因而受到高度重视。在干湿交替自然环境中长期暴露后，由高强钢腐蚀产生的直接经济损失与人员伤亡无法估量，社会负面影响极为恶劣。此外，若受到外界动载与自然环境多因素耦合作用，裂纹在高强钢中萌生并快速扩展，导致构件快速失效，一般为脆性破坏。

高强钢的腐蚀行为

钢材的腐蚀机理如图1所示，腐蚀损伤程度与所处环境、材料类别和服役周期等因素密切相关。一般而言，构件焊接区域的腐蚀速率普遍大于母材区，该区域材料损伤累积导致工程结构体系的极限承载力降低；此外，与普通建筑钢材相比，高强钢特定的冶炼方式及轧制工艺不仅提高了材料的力学性能，并且明显改善了材料的耐蚀性。

图1 钢材腐蚀机理

目前，关于高强钢腐蚀行为的课题研究主要集中于高强钢及焊缝连接区的宏观腐蚀现象与微观形貌分析，以及根据不同加速腐蚀方案讨论材料各区域的腐蚀损伤机理与主要影响因素。研究结果表明：

1 当腐蚀环境不同时，同一牌号高强钢的损伤大小存在明显差异；

2 随着腐蚀周期的延长，钢材的质量损失率提高，但是增幅逐渐降低，这是因为表面堆积的腐蚀产物在一定程度上减缓了深度方向的腐蚀速率；

3 统计相关研究数据可知，热影响区的腐蚀速率普遍最高，而母材区的腐蚀速率相对最小，腐蚀产物首先在热影响区产生，随之向两侧逐渐扩展，最终完全包裹基体外围，点蚀坑分布具有随机性与不确定性等特征；

4 处于多因素复杂环境中，高强钢更易发生腐蚀，并且局部腐蚀产生的损伤累积远远大于均匀腐蚀。

高强钢的力学性能

材料腐蚀能够引起构件截面尺寸减小，尺寸不一的蚀坑分布于局部区域，受外荷载作用时极易产生应力集中，导致钢材的极限强度和刚度快速退化，各项力学性能指标减小。研究锈蚀高强钢及其焊缝的力学性能退化规律，对于服役结构体系可靠性分析及寿命预估具有重要意义。目前，对于锈蚀标准试件力学性能的研究工作可分为单调拉伸、低周往复加载及高周疲劳试验。

1 单调拉伸研究

影响高强钢材力学性能的因素众多，如服役环境、荷载幅值、板材厚度、钢材等级以及连接方式等。已有研究表明：

1 随着材料在环境中暴露周期延长，屈服平台减少，延性逐渐变差，此时断口收缩现象不再明显；

2 同一腐蚀周期下，试件破坏模式不同，这主要是由于腐蚀面积及分布范围存在不可预知性，当在外界荷载作用时，蚀坑密集区更易形成应力集中，发生脆性破坏；

3 与普通钢材相比，高强钢具有更好的耐蚀性和抗变形能力；

4 本构模型能够反映锈蚀高强钢力学性能退化规律，但其计算结果与试验结果仍存在差异，在后续相关课题研究时，需要提出更为准确的理论分析模型。

2 滞回性能研究

在强震（一般呈周期短、应变幅值大的低周往复荷载作用形式）作用下，高强钢结构承重骨架能够产生较大内应力，在结构抗震性能评估中，主要通过滞回能定量表征结构整体的耗能能力。若长期处于复杂环境中，钢材可能出现腐蚀剥落，导致有效截面尺寸减小，局部区域出现不规则分布的蚀坑。当高强钢结构受到的外部荷载超出自身极限承载力而丧失稳定性时，连接区域滞后断裂速率加快，结构体系在短期内坍塌破坏，导致其实际服役时间小于设计使用年限。

高强钢滞回特性研究常采用低周循环加载试验，国内外关于含腐蚀缺陷高强钢力学性能的研究大多集中于无腐蚀环境中普通钢材、低合金钢的承载性能；此外，国内外针对海工混凝土结构中钢筋腐蚀机理及安全防护也开展了大量研究工作，并给出了指导性建议与意见。今后我国工程建设将向大跨度、超高层等领域快速推进，因此有必要开展更多高强钢耐久性方面的研究。

3 疲劳性能研究

在复杂环境中，工程钢结构一般受到不同因素影响，而非单一荷载作用方式，在多种效应长期影响下，承重构件易发生疲劳失效。当腐蚀性介质与交替载荷耦合作用时，材料损伤累积量相比短期荷载作用引起的破坏程度更为明显，腐蚀可以促使疲劳裂纹萌生并向应力集中区域快速扩展，从而增大了材料与外界环境直接接触的面积，导致损伤累积程度急剧增大，材料最终完全失效。焊接方式、焊条型号及接头尺寸对钢结构焊接接头的疲劳性能有着重要影响。在腐蚀环境中，裂纹首先在应力集中区产生并向外围延伸，最终使钢结构丧失承载能力。

针对高强钢腐蚀疲劳性能研究，目前试验方案总共分为三类：预腐蚀后加载试验、腐蚀与疲劳阶段性交替加载试验、腐蚀疲劳耦合加载试验。腐蚀疲劳耦合作用产生的损伤往往大于两者线性叠加；此外，在疲劳低应力水平下，发生严重腐蚀的构件更易萌生初始裂纹，当其达到极限状态后，快速发生疲劳失效。

针对上述问题，相关学者对锈蚀高强钢母材及焊缝进行一系列试验研究及理论分析，国内关于锈蚀钢疲劳性能测试及损伤分析的研究主要有腐蚀环境中碳钢、低合金钢、普通钢筋高周疲劳试验，框架结构的低周往复荷载试验，但关于高强钢疲劳性能的研究成果甚少。目前，关于腐蚀环境中高强钢母材及焊接接头的疲劳性能退化分析仍处于基础研究阶段，建立的腐蚀疲劳损伤演化模型准确性有待验证；此外，我国GB 50017-2017《钢结构设计标准》和美国ANSI/AISC 360-2016 Specification for structural steel buildings提出的高强钢母材及焊接接头的疲劳计算方法只适用于普通环境，若结构服役于腐蚀环境，这些设计标准则不再适用。

结束语

重点介绍了不同腐蚀条件下高强钢及其焊接接头的单调拉伸、滞回加载和高周疲劳等方面的研究进展。高强钢材具有良好的耐蚀性和力学性能，其工程应用前景广阔。但是，鉴于在役钢结构所处环境复杂，现行规范设计方法仍然有待完善，并且亟需更多材料、构件的耐久性研究成果作为理论支撑。此外，根据锈蚀高强钢力学性能研究趋势及热点问题，对其研究方向提出了以下几点建议：

1 考虑腐蚀成因较少，并且试验方案设计的加速周期仍然偏短，今后应当综合考虑环境多因素影响，深入研究高强钢及焊缝区的腐蚀机理。

2 为推广高强钢在极端复杂环境中的应用，以及为高强钢结构设计提供理论基础，在高强钢耐久性方面应开展更多的试验研究。

3 目前锈蚀高强钢疲劳性能分析主要以单向载荷作用为主，而实际工程钢结构多处于复杂受力状态，后续应在变幅疲劳方面多开展相关研究。

4 应在现有研究成果基础上，在不同的腐蚀环境中进行更多高强钢及其焊接接头的力学性能退化分析，为规范及修订设计标准提供参考依据。