锈蚀是影响钢结构使用寿命和安全的主要因素之一,已成为实际中急待解决的问题,有些已到了必须及时加固处理的地步。但由于大气暴露试验周期很长,试验区域性强,不利于试验结果的推广和应用,促使人们开展模拟加速腐蚀试验研究,而加速腐蚀与实际大气暴露锈蚀的相关性已成为实际中攻坚问题。本研究在国家自然科学基金项目(51578357)的支持下,以能源重化工基地山西为背景,以广泛应用于工程结构中的Q235B结构钢为研究对象,通过典型的城市工业大气环境暴露、模拟城市工业环境大气的实验室干湿交替加速腐蚀,机械加工模拟腐蚀三种途径腐蚀结构钢,对其腐蚀行为、锈坑形貌、静力学性能及疲劳性能进行相似性研究,主要研究成果如下:(1)通过对城市工业大气暴露和实验室干湿循环加速腐蚀试验的腐蚀行为研究,表明本研究的干湿循环加速试验具有显著的加速性,腐蚀速率约为工业大气环境下的8倍,遵循幂函数规律,且腐蚀趋势基本相同。同一结构钢在两种腐蚀环境下虽有共同的腐蚀产物但腐蚀产物形成的机理、过程不同,故锈层形貌不同。(2)利用三维非接触式表面形貌仪研究了城市工业大气暴露和实验室干湿循环加速腐蚀试验的锈坑形貌,研究了腐蚀模型的评定指标:蚀坑形状、最大锈坑深度、平均锈坑深度、蚀坑径深比、分布情况及厚度指标评定标准等,给出这些随机变量指标与锈蚀程度之间的数学时变模型,确定锈坑深度分布符合正态分布,并建立了与锈蚀率相关的概率分布模型。提出了适用于土木工程常用结构钢Q235在酸雨腐蚀环境下的腐蚀模型。(3)三种腐蚀方式下,对80个试件进行静力拉伸试验,结合锈坑形貌分析了不同腐蚀方式不同锈蚀程度对锈蚀钢板本构的影响:除按最小截面计算的净强度,其他力学性能随着锈蚀程度的增加较完好的均下降且离散型增加,变形能力较强度下降程度更明显,质量损失率≥16%时,锈蚀钢板应力-应变曲线的屈服平台显著变短,定义质量损失率30%为干湿循环加速腐蚀环境下屈服平台消失的临界点。给出主要力学性指标不满足规范要求的临界锈蚀率,建立了锈坑深度与力学性能退化的关系模型,建立了与锈蚀率相关的确定性本构。(4)对未锈蚀、城市工业大气和实验室干湿循环加速腐蚀得到的55个试件进行常幅轴向拉伸疲劳试验,研究表明两种腐蚀环境下,在同等应力范围条件下,随锈蚀程度的增加,其疲劳寿命急剧下降,且下降趋势相似,锈蚀程度相近时,疲劳极限接近,建立了适用于土木工程常用结构钢Q235在酸雨腐蚀环境下的疲劳设计曲线。干湿循环加速腐蚀环境下质量损失率约为30%,保证率为97.72%的疲劳曲线,应力幅大于187.98MPa时,采用规范的设计S-N曲线设计是不安全的。故建议规范增加不同锈蚀程度钢板的构造细节。(5)基于能量理论的红外热像法研究锈蚀钢板的疲劳性能,研究表明,将红外热像法应用于锈蚀钢板疲劳性能的研究是适用的。锈蚀试件在疲劳加载过程中温度变化符合典型的温升三阶段理论,锈蚀程度接近时,应力越大,试件温升越高;疲劳荷载相同时,腐蚀引起的缺陷越严重,能量耗散越大,试件温升越高,疲劳性能下降越显著。红外热像法的定量模型能够快速预测锈蚀钢板的疲劳极限和S-N曲线,与常规疲劳试验测定的疲劳寿命之间的误差较小,符合性较好。(6)基于灰色关联度理论,分析了不同腐蚀环境下腐蚀模型评定指标、力学性能指标的相关性,研究表明其均具有较好的相关性,验证了本研究提出的土木工程常用结构钢Q235在酸雨腐蚀环境下的腐蚀模型是适用的。揭示了钢材力学性能退化对锈层形貌、腐蚀过程不敏感性,只要腐蚀的微观机理相同或锈坑形貌接近,加速腐蚀试验就可以模拟工业大气腐蚀,用以准确把握大气环境下钢材力学性能及退化规律。