高强度钢梁及其焊接节点疲劳性能与机理及设计方法研究

Fatigue behavior of high-strength steel (HSS) structures will be investigated in order to promote the application of HSS in structural engineering. The research project will deal with the following topics: (1) Basic mechanical performance, welding residual stress distribution, heat-affected zone softening and fatigue strength of Q460 - Q960 HSS material, H-section beams and welded joints; Testing techniques for fatigue crack initiation, propagation path and rate; Unique failure mechanism in fatigue behavior of HSS steel beams. (2) Analytical prediction for fatigue life of HSS beams based on fracture mechanics theory, and robust numerical simulation based on 3D refined finite element; Effects of different steel plate thickness, welding residual stress distribution, heat-affected zone softening, crack initiation and propagation features on fatigue life. (3) Design principle and constructional detail requirements for fatigue strength of HSS beams and relevant welded joints. .The conventional approach to fatigue strength of structures only relies on experiments and statistics. The highlight of this research project in academic innovation is to make a breakthrough in analytical prediction of fatigue life of HSS structures through robust numerical simulation and advanced measurement technique.

研究高强度钢结构疲劳性能，促进高强度钢材在结构工程中应用。主要研究内容：(1) 以Q460-Q960高强度钢材和H形截面钢梁以及焊接节点为对象，试验研究它们的基本力学性能、焊接残余应力分布、热影响区软化和疲劳强度等问题，研究裂纹萌生、扩展途径和速率的测试技术，分析高强度结构钢与普通强度结构钢在钢梁疲劳性能上的差异性及其机理；(2) 研究基于断裂力学理论的高强度钢梁疲劳寿命分析模型及其精细化三维有限元数值计算的高效方法，研究不同板厚尺度、焊接残余应力分布、热影响区软化、初始裂纹缺陷、裂纹扩展特性及其参数对疲劳寿命的影响效应；(3) 研究高强度钢梁及其焊接节点的疲劳强度设计理论与方法以及构造细节要求等。.本项目重要的学术创新思想是改变以往结构疲劳强度研究“只能依赖试验、数理统计回归”的方法，而是在较少的辅助性试验的基础上着重发展“结构疲劳数值分析”方法以及测试技术，提升结构疲劳问题的分析水平。

一、项目背景. 当前国内外都在发展高强度/超高强度钢材（统称高强钢）在土木工程领域的应用。在疲劳荷载作用下，高强钢及其焊接构件的疲劳性能是否与普通强度钢材相同？这是本项目的研究背景。.二、主要研究内容.（1）高强度钢材及其焊接构件疲劳性能与机理试验研究. 以国产Q460、Q550、Q690、Q960等系列高强钢为对象，试验研究高强钢及其焊接的基本力学性能、焊接构件的残余应力分布；钢材、焊缝及热影响区的裂纹扩展规律与测试技术，焊接H形钢梁以及典型焊接节点的疲劳性能等；分析高强钢与普通强度钢在疲劳性能上的差异与机理。 .（2）高强度钢材焊接构件疲劳寿命分析模型与数值计算方法研究. 研究基于断裂力学理论的高强钢焊接构件疲劳寿命分析的精细化有限元数值模型，研究不同板厚尺度、初始裂纹尺寸、裂纹扩展特性及其参数等对疲劳寿命的影响规律；研究高强度钢材焊接构件疲劳寿命的其他数值分析方法。.（3）高强度钢材及其焊接构件疲劳强度设计方法研究. 研究高强钢系列及其典型焊接构件的疲劳强度设计计算方法，基于构造细节的疲劳强度分类及其适宜的S-N疲劳强度设计曲线。.三、重要结果和关键数据.（1）提出了高强钢焊接H形截面的残余应力数值分布模式。.（2）掌握了高强钢及其焊接构件的基本力学性能、疲劳性能、裂纹扩展规律与机理。.（3）发现高强钢及其焊接构件比普通强度钢材及其焊接构件具有更好的疲劳性能，更低的裂纹扩展速率，更高的疲劳强度，高强钢及其焊接构件的疲劳强度基本上随钢材强度的增加而提高。.（4）建立了基于缺口应力法、应变能密度法、神经网络方法、断裂力学方法的疲劳寿命数值分析模型，掌握了影响高强钢焊接构件的疲劳寿命的关键参数。.（5）提出了高强钢及其对焊接接头、非承载横向焊接件、焊接H形钢梁的疲劳强度设计计算公式。.（6）若高强钢及其焊接构件仍旧采用目前普通强度钢材及其焊接构件的疲劳强度计算公式，那将埋没了高强钢在疲劳荷载作用下的性能优势与经济价值。.四、科学意义. 本项目的研究成果增长了对高强钢结构性能的新知识、新认识，发展了钢结构疲劳的数值分析方法，将推进高强钢在土木工程领域的应用，促进工程结构高强度高性能的提升。