高耸高层钢结构焊缝疲劳劣化机理与寿命预测研究评析

李爱群, 瞿伟廉, 丁幼亮, 周广东

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院, 北京 100044; 2.东南大学 土木工程学院, 江苏 南京 210096;3.武汉理工大学 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430070; 4.河海大学 土木与交通学院, 江苏 南京 210098)



高耸高层钢结构焊缝疲劳劣化机理与寿命预测研究评析

李爱群1,2, 瞿伟廉3, 丁幼亮2, 周广东4

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院, 北京 100044; 2.东南大学 土木工程学院, 江苏 南京 210096;3.武汉理工大学 道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430070; 4.河海大学 土木与交通学院, 江苏 南京 210098)

高耸高层钢结构焊缝在风和地震作用下的疲劳裂纹萌生和扩展是一种危及结构安全甚至引起结构倒塌的钢结构重要破坏形式，已经引起国际土木工程领域的关心和重视. 高耸高层钢结构焊缝多轴高周弹性应力疲劳和多轴低周塑性应变疲劳劣化机理和寿命预测的研究现状是：1)焊缝应力和应变演化过程分析；2)焊缝疲劳损伤表征；3)焊缝疲劳寿命预测与设计方法. 在此基础上指出未来的主要研究方向，包括：1)焊缝多尺度应力和应变状态模拟方法；2)焊接残余应力场的产生机理、分布模式和松弛规律；3)焊缝等效疲劳损伤参量的数力学表征；4)焊缝疲劳劣化机理；5)焊缝疲劳寿命预测方法. 研究结果可为高耸高层钢结构焊缝疲劳劣化机理与寿命预测研究提供参考.

高耸高层钢结构； 焊缝疲劳； 强风； 强震； 寿命预测

钢结构由于其高强、轻质特性而广泛应用于高耸高层结构. 风和地震是作用在高耸高层钢结构上的主要动力荷载，焊接连接是高耸高层钢结构杆件的主要连接形式. 然而，在风力作用下，数座高耸钢结构都发生了焊缝开裂进而导致结点破坏和结构倒塌的事故. 如298 m高的德国Bielstein桅杆、386 m高的英国Emley Moor桅杆及143 m高的中国昆明501中波台的桅杆等都发生了因脉动风动力作用引起拉耳结点的焊缝开裂，直至拉耳节点板的破坏和桅杆结构的倒塌. 又如中国220 kV的舟山大跨越输电线塔发生了因长期微风涡激动力作用引起的顶部地线支架焊接结点断裂破坏. 再如美国10余座高速公路的高耸钢管灯杆发生了因底部钢管与法兰之间焊缝风致开裂引起法兰节点破坏和结构倒塌的风致灾害[1-2]. 同样，强烈地震作用造成高层钢框架建筑梁柱焊缝的裂纹萌生、并向梁和柱内扩展、进而引起焊接结点破坏的灾害案例也屡见不鲜. 美国北岭大地震、日本阪神大地震中的许多高层钢框架建筑上的梁柱焊接结点都发生了焊缝开裂和扩展造成的结点破坏甚至结构倒塌[3-6]. 可见，在风和强震作用下，高耸高层钢结构焊接结点的焊缝处都可能发生明显的疲劳裂纹，进而造成结构焊接结点的破坏，甚至引起结构的倒塌. 风和强震作用引起的高耸高层钢结构焊缝处的疲劳开裂已成为一种危及钢结构安全的重要破坏形式.

已有的调查和研究表明，高耸高层结构焊缝疲劳开裂发生的原因主要是由于缺乏可靠的焊接结点区焊缝处累积疲劳效应计算和评估方法，使得建造的高耸高层钢结构结点抵抗风力和强震作用产生的累积疲劳损伤的能力不足. 因此，风和强震作用下高耸高层钢结构焊缝疲劳劣化机理与寿命预测是钢结构领域的重要研究方向. 本文综述了高耸高层钢结构焊缝疲劳的国内外研究现状，包括焊缝应力和应变演化过程分析、焊缝疲劳损伤表征和焊缝疲劳寿命预测与设计方法；指出了高耸高层钢结构焊缝疲劳劣化机理与寿命预测研究存在问题、面临挑战及主要研究方向.

1 国内外研究现状

在强风(强台风和强下击暴流)和强震(多维且不完全相关的)作用下，高耸高层钢结构焊缝均处于复杂多轴应力状态，其失效多为多轴疲劳破坏. 根据应力水平的大小，可以将疲劳破坏分为两种类型. 当焊缝应力水平相对较低，使焊接结点区保持在弹性范围内工作，属于多轴高周弹性应力疲劳；当焊缝应力水平相对较高，使焊接结点区进入到弹塑性的多轴应变状态，属于多轴低周塑性应变疲劳. 目前，对于风和强震作用下高耸高层钢结构焊缝的多轴高周弹性应力疲劳和多轴低周塑性应变疲劳，国内外已有一些研究.

1.1 焊缝应力和应变演化过程分析

高耸高层钢结构焊接结点在焊接过程中会产生明显的焊接残余应力场，焊接残余应力场在风和强震引起的交变应力作用下会有一定程度的松弛，松弛后的残余应力场与外荷载引起的应力和应变时程叠加形成焊接结点的实际应力和应变时程，此全过程称为应力和应变演化过程. 当风和地震作用引起的焊接结点焊缝危险点的应力超过屈服强度后，该点焊接残余应力完全松弛. 如强震作用下结点焊缝危险点的应变超过屈服应变，这时就无需考虑焊接残余应力的影响. 可见，除了考虑风和强震作用下焊接结点多尺度应力、应变状态计算和焊接结点焊接残余应力场的产生机理、分布模式之外，还必须充分认识焊接残余应力的松弛规律.

针对风和强震作用下焊接结点多尺度应力、应变状态的计算，国内外目前的研究主要集中在整体结构尺度和构件尺度层面. 20世纪60年代，Davenport[7-9]在LiePmann抖振理论的基础上建立了用于估算高耸结构和高层建筑顺风向风振响应的阵风荷载因子法，同时提出了等效静力风荷载的概念. 此后十年内，Velotzz[10]、Viekery[11]和Simiu[12]等学者根据Davenport的理论，用数值计算的方法对结构的风振响应进行了研究. 80年代，Solari[13-14]在阵风因子法的基础上，提出了高耸结构顺风向风振响应的闭合解. 90年代，Kasperski[15-17]指出定义为位移等效的静力风荷载法在计算弯矩、剪力等响应时误差过大，并对此提出了用荷载响应相关法计算背景等效风荷载. Holmes[18-20]在此基础上定义了新的阵风作用因子概念，并给出了计算格构式自立塔架最大位移、弯矩和剪力的闭合公式. Loredo-Souza、DavenPort[21-22]还将背景响应与共振响应的概念直接应用于塔线体系的风振响应分析. 国内，张相庭等对高耸结构顺风向响应、横风向响应以及风与结构的耦合作用进行了研究[23-24]；楼文娟、孙炳楠[25]对大跨越输电塔进行了数值计算分析.

针对焊接结点焊接残余应力场的产生机理、分布模式和松弛规律，国际上其他学科的学者已有部分的研究成果. L. Karlsson[26]提出的将焊接过程分解成热力学、力学、金相学的相互耦合过程. 在此基础上，许多学者[27-39]从焊接的温度场计算出发，来建立焊接残余应力场的计算方法. 还有部分学者[40-41]通过理论和试验研究了循环荷载下焊接残余应力场的松弛原理和数值模拟计算方法. 应该看到他们的研究有助于我们掌握焊接残余应力场的数值计算及建立考虑焊接残余应力松弛的实际“焊接—风致”应力场计算方法.

1.2 焊缝疲劳损伤表征

目前，有学者针对高周弹性应力疲劳问题研究了多轴非比例加载条件的损伤表征方法，提出了以疲劳损伤临界面上的应力或应力幅为损伤参量的临界面法. 归纳起来，可分为二类. 其中，Findley[42]、Stulen和Cumnings[43]、McDiarmid[44-46]、Matake[47]、Macha[48]和Robert[49]的准则可归纳为第1类临界面准则. 这类临界面准则认为，临界面上最大剪应力(幅)和法向最大正应力(幅)的线性组合达到最大值时，材料在临界面上产生损伤. 在建立该类临界面准则时，研究者引入了与材料及与单轴疲劳极限有关的系数，这些系数(k，B，K，a1，a2)对于构建的临界面准则具有重要的意义. Dang Van[50-51]和Papadopoulos[52-54]基于材料微观尺度提出的临界面准则为第2类临界面准则，它利用剪应力参数和静水压力的线性组合来构建临界面.

针对焊接结点区的多轴低周塑性应变疲劳寿命预测，机械、航空、航天及金属材料等学科已开展了较多的研究. 对于塑性应变疲劳损伤参量的表征，国际上已提出了等效应变幅、耗散能量幅和疲劳损伤临界面上应变幅三种指标. 对于以等效应变幅来表征损伤参量的等效应变法，Fatemi和Socie[55]通过比较指出：基于Tresca准则和Mises准则的等效应变法，对于多轴低周非比例加载的塑性应变疲劳寿命预测，误差可达到3.5～5倍，且结果偏于不安全. 对于以耗散的能量幅来表征损伤参量的能量法，Fatemi和Socie[55]、Jordan和Brown等[56]也指出，它的不足在于：塑性功判据是个标量，不能反映多轴疲劳的破坏面；同时，它还需要一个精确的本构方程，这在目前是很难做到的. 而对于以疲劳损伤临界面上的应变幅来表征损伤参量的临界面法，由于它要求确定疲劳破坏面，即临界面，及关于这个面上的应变，因此具有一定的物理意义，是目前较广泛应用的一种方法. Brown和Miller[57-58]提出了疲劳损伤临界面应为最大剪应变平面，并认为损伤参量为此面上的最大剪应变幅和法向正应变幅. 其中前者控制裂纹的萌生，而后者控制裂纹的扩展. Fash等[59]利用单轴疲劳试验数据给出了临界面上低周疲劳破坏的判据. Chu[60]、Kanazawad等[61]、Kandil等[62]和Socie等[63]都对Brown和Miller提出的方法进行了修正. 特别地，Socie[64]及Morel[65-66]等指出将临界面法应用于多轴非比例加载时需考虑主轴旋转所产生的附加强化. 因此，他们既用临界面上的法向应力代替法向应变，又导出了考虑非比例加载时附加强化的低周疲劳寿命判据.

1.3 焊缝疲劳寿命预测和设计方法

对于强风作用下高耸钢结构焊接结点的风致疲劳寿命预测，国际和国内学者目前主要采用的方法是：以焊缝危险点处的等效应力幅为疲劳损伤参量，用雨流计数法求取损伤参量的响应幅值谱，依据结构焊缝材料疲劳寿命的S-N曲线和Miner线性累积疲劳损伤公式，来预测杆件和结点的疲劳寿命. 其中，国际学者Pile[67]进行了开创性的研究；Matsuishi和Endo[68]进行了进一步的拓展；Wirsching、Nagode和Fajdiga、Tovo、Rychli、Colombi和Anthes等[69-74]以及部分国内学者以上述方法为核心，提出了高耸钢结构基于结构确定性和随机风振响应的风致疲劳寿命和风致疲劳可靠度的评定方法，探讨了钢桅杆的拉耳焊接结点及各类自立式钢塔架的焊接结点和构件的风致疲劳性能.

由于焊缝疲劳危险点及疲劳裂纹路径上的焊接残余应力场的确定十分困难，尚无可行的方法进行评估，因此上述焊缝疲劳寿命预测方法均忽略了焊接残余应力场的影响[75]. 但是，由于焊缝处的焊接残余应力一般都较大(最大值可达到200～300 MPa)，且在交变外荷载的影响下存在焊接残余应力场的松弛效应，它们对焊缝处实际的应力场和应变场及焊缝材料的疲劳寿命曲线都会有较大的影响，忽略它们会产生较大的误差，因此在评估高耸钢结构焊接结点焊缝疲劳寿命时需充分考虑风致应力场、强震致应变场、焊接残余应力场以及焊接残余应力场的松弛.

2 值得进一步研究的问题及面临的挑战

虽然钢结构的单轴、多轴、比例、非比例、低周和高周疲劳问题已经被广泛探讨，也取得了许多突破性成果. 但是对于风和地震作用下高耸高层钢结构焊缝的疲劳劣化机理和寿命预测的研究，还存在许多问题，致使土木工程界至今还不能对高耸高层钢结构焊缝的风致和强震致疲劳损伤灾害做到较精确地预测和评估. 未来的主要研究方向有：

1)焊缝多尺度应力和应变状态模拟方法. 由于缺乏可靠的动力荷载下多尺度有限元模型的边界切割和界面衔接方程，使得风和强震作用下高耸高层钢结构的内力分析尚不能达到焊缝尺度. 因此，应进一步研究非良态气候条件风荷载和不完全相关三维地震动的随机作用模型和数值模拟方法，提出动力荷载下高耸高层钢结构整体尺度、结点尺度和焊缝尺度的多尺度三维非线性有限元模型的边界切割和多尺度衔接方程，结合模型试验建立风和强震作用下高耸高层钢结构焊接结点多尺度弹性应力响应和塑性应变响应的模拟方法.

2)焊接残余应力场的产生机理、分布模式和松弛规律. 焊接残余应力场的产生机理、分布模式和松弛规律对于焊缝疲劳裂纹的产生和发展至关重要，然而目前仍未能深入理解焊接残余应力场的产生和松弛过程. 因此，应进一步研究高耸高层钢结构焊接结点焊接过程的随机热力学模型，提出高耸高层钢结构焊接结点焊接残余应力场的分布模式，在此基础上通过试验研究不同循环应力水平下焊接结点焊接残余应力场的松弛特征，揭示焊接结点焊接残余应力场的松弛规律，进而建立风和强震作用下高耸高层钢结构焊接结点应力、应变演化过程.

3)焊缝等效疲劳损伤参量的数力学表征. 第1类和第2类临界面法准则都是其它学科学者针对多维简谐激励和弯扭或拉扭工况下高周应力疲劳的临界面法准则，并不完全适用于风和地震作用下高耸结构焊缝处多轴随机应力疲劳的情况. 因此，应进一步研究焊接结点焊缝危险点多轴高周弹性应力疲劳和多轴低周塑性应变疲劳临界面确定方法，建立多维弹性应力和塑性应变条件下焊缝危险点临界面上损伤参量等效模型，研究采用等效统一临界面代替时变临界面所引起的附加强化效应的数力学表征，进而形成焊接结点焊缝危险点等效统一临界面和临界面损伤参量的确定方法.

4)焊缝疲劳劣化机理. 针对焊缝疲劳劣化机理的研究，主要集中在单轴焊缝疲劳和比例加载条件下的疲劳. 由于多轴非比例疲劳与单轴比例疲劳存在本质的差异，使得已有的研究成果并不能直接用于多轴非比例条件下的焊缝疲劳性能分析. 因此，应结合疲劳试验分析风和强震作用下焊接结点焊缝高周弹性应力疲劳和低周塑性应变疲劳破坏特征，研究多轴非比例加载路径对焊缝疲劳破坏的影响规律，分析焊接结点疲劳损伤从细微观尺度向宏观尺度发展进而破坏的劣化过程及其耦合特征，揭示风和强震作用下焊接结点焊缝高周应力疲劳和低周塑性应变疲劳劣化机理.

5)焊缝疲劳寿命预测方法. 已有的高层高耸钢结构焊缝疲劳寿命预测研究主要集中在风致高周应力疲劳方面，而针对强震条件下的低周应变疲劳则开展较少. 虽然建立了高耸高层钢结构焊缝风致疲劳寿命预测方法，但是其计算过程存在诸多不合理的简化，比如忽略焊接残余应力，使得计算结果与实际情况差异巨大. 因此，应通过试验形成各类焊接细节高周弹性应力疲劳和低周塑性应变疲劳S-N曲线，结合破坏机理建立临界面上的修正S-N曲线数学模型，在此基础上建立风和强震作用下焊缝疲劳寿命的预测方法，形成风和强震作用下高耸高层钢结构焊接结点抗疲劳设计方法.

3 结 论

对于风力和强震作用下高耸高层建筑钢结构的焊接结点，无论是因脉动风或旋涡脱落引起的焊缝高周应力疲劳，还是因强震引起的焊缝低周塑性应变疲劳，已有的研究成果都无法可靠预测疲劳裂纹发生和发展过程，急需重新寻找准确的焊缝疲劳寿命预测方法，使得高耸高层建筑钢结构焊接结点的设计更为可靠和安全.

针对高周弹性应力疲劳和低周塑性应变疲劳问题，提出风和强震作用下高耸高层钢结构焊缝弹性应力和塑性应变的多尺度计算方法，揭示焊接结点焊缝焊接残余应力场产生机理、分布模式和松弛规律，建立风和强震作用下焊接结点焊缝等效疲劳损伤参量的数力学模型，揭示风和强震作用下焊接结点焊缝高周应力疲劳和低周塑性应变疲劳破坏机理，提出风和强震作用下焊接结点高周应力疲劳和低周塑性应变疲劳寿命的预测公式和抗疲劳设计方法. 该方向的研究工作将为高耸高层钢结构焊接结点的抗震设计和抗风设计提供依据，从而保证高耸和高层钢结构的抗震抗风安全，具有重要的学术意义和工程应用价值.

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[责任编辑：佟启巾]

A Summary Review of Fatigue Deterioration Mechanism and Life Prediction of Welded Joints on Tall Steel Structures under Winds and Earthquakes

Li Aiqun1, 2, Qu Weilian3, Ding Youliang2, Zhou Guangdong4

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;2.School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096;3.Hubei Key laboratory of Roadway Bridge & Structure Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070;4.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098)

Fatigue crack initiation and propagation of weld joints on tall steel structures under winds and earthquakes, which may reduce structural safety and cause structural collapse, is an important failure mode of steel structures and drawn attention of engineers and researchers in civil engineering throughout the world. In the paper, the stat-of-the-art of the multi-axial high-cycle stress fatigue and the multi-axial low-cycle plastic-strain fatigue in weld joints of tall steel structures, including: 1) the evolutionary process of stress/strain in weld joints; 2) the indicator of fatigue damage in weld joints; and 3) the fatigue life prediction and fatigue resistance design method of weld joints, is summarily reviewed. Based on this, the challenges and promising research fields, such as: 1) the simulation of multi-scale stress/strain in weld joints; 2) the generation, distribution, and relaxation of welding residual stress, 3) the mathematical and mechanical models of equivalent fatigue damage indexes; 4) the failure mechanism of welded joints, and 5) the fatigue life prediction methodology of welded joints, is presented. The results are expected to provide reference value for the research of fatigue deterioration mechanism and life prediction of welded joints on tall steel structures.

tall steel structures; welded joint fatigue; strong wind; strong earthquake; life prediction

1004-6011(2016)03-0029-07

2016-08-03

国家自然科学基金重点项目(51438002)

李爱群(1962—)， 男， 教授， 博士生导师， 博士， 研究方向： 结构健康监测与振动控制.

TU973+.13

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