现有钢结构在多频疲劳作用下的极限强度退化：从材料尺度到构件尺度

《Journal of Constructional Steel Research》：Multi-frequency fatigue-driven ultimate strength degradation of existing steel structures: From material to component scale

　　•研究了钢材料、板材和结构部件在多频疲劳载荷作用下的极限强度退化现象。•与恒幅疲劳载荷相比，多频疲劳载荷会导致更严重的本构退化。•提出了一种用于实际工程应用的疲劳损伤耦合非线性本构模型。•数值验证表明，所提出的公式能够准确预测残余强度，并具有较高的可靠性。

引言
钢结构因其出色的机械性能、高施工效率和优异的抗震性能，在工业建筑、海上平台和公共基础设施中得到广泛使用[1]、[2]、[3]、[4]。在长期使用过程中，钢部件不断受到车辆振动、风浪激励、环境温度波动、机械振动等重复作用引起的复杂循环载荷的影响[5]、[6]、[7]。这些实际服役载荷与传统实验室测试和理论分析中采用的理想化恒频和恒幅疲劳载荷有本质区别，因为它们具有明显的多频耦合和随机波动特性。这种载荷引起的渐进性损伤的长期累积会不可避免地降低钢材料和结构部件的机械性能，严重威胁钢结构的使用安全性和长期耐久性[8]、[9]、[10]。因此，阐明多频疲劳损伤的演变机制并定量评估钢结构的残余极限强度具有重要的工程意义。

疲劳损伤是钢结构发生灾难性破坏的主要原因之一，准确评估疲劳寿命和裂纹演化行为是确保钢结构安全运行和维护管理的基础。近年来，大量研究致力于钢材、连接件和结构系统的疲劳寿命预测、裂纹扩展机制和性能优化[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。从服役条件导向的疲劳性能角度来看，Lim等人[20]比较分析了交通桥梁和海上风力涡轮机支撑系统中的钢结构疲劳特性，并指出疲劳失效时间显著决定了工程项目的结构可靠性和全生命周期经济效益。在部件层面，Jin等人[21]揭示了在车辆循环载荷作用下单耳梁的高周疲劳失效机制，确定了拉伸开口角处的I型裂纹扩展规律，并通过实验拟合建立了剪切疲劳寿命曲线。为了提高钢部件的疲劳抗力，Xu等人[22]验证了低能量激光冲击表面处理可以有效优化Q345钢的表面微观结构，从而为提高钢结构的疲劳性能提供了有效的技术方法。Shao等人[23]对具有不同结构参数的塞焊试件进行了疲劳试验和数值模拟，验证了粗网格混合结构应力方法在预测钢结构疲劳寿命方面的准确性和优越性。Lu等人[24]提出了一个结合计算机视觉和断裂力学的数字孪生疲劳预测框架，可以实现轻型钢结构的实时裂纹识别和动态疲劳寿命更新。上述研究全面揭示了各种钢材、典型连接件和关键工程部件的疲劳力学行为，为结构疲劳研究建立了坚实的理论和实验基础。

在实际工程中，长期循环服役载荷不可避免地会在在役钢结构中引起累积疲劳损伤，导致结构机械性能和服务耐久性的逐渐退化。然而，大多数传统的结构安全性评估方法忽略了钢部件内部已存在的疲劳损伤，从而导致残余承载能力和服务性能的评估不准确。为了解决这个问题，一些材料级别和部件级别的实验研究已经被开展，以研究疲劳损伤钢结构的性能劣化[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]。Li等人[33]建立了一个统一的损伤力学模型，以定量描述预疲劳损伤与钢材料残余疲劳寿命之间的耦合关系。Mishnev等人[34]实验性地揭示了预施加的低周疲劳损伤对钢高温拉伸性能的影响，发现疲劳损伤降低了钢试样的抗拉强度，同时提高了其延展性。Zhang等人[35]、[36]系统研究了在预疲劳载荷作用下P92钢焊接接头的残余蠕变性能退化，证实疲劳循环次数和幅度显著影响焊接接头的断裂位置和蠕变孔洞演化。Tang等人[37]、[38]分析了具有预疲劳损伤的结构钢的机械性能变化，并提出了针对性的本构模型来描述受损钢和部件的机械响应。此外，Zong等人[39]和Si等人[40]分别补充了疲劳损伤Q690高强度钢和Q355低碳钢的静态机械性能和滞回行为演化规律。

尽管取得了这些显著成果，但几乎所有现有的实验和理论研究都采用了理想化的恒频和恒幅疲劳载荷条件，这无法反映在役钢结构所面临的实际循环载荷特性。在实际复杂的服役环境中，多频耦合疲劳载荷会在钢结构中引起叠加和加速的损伤演化，其结构退化效应可能比传统单频疲劳损伤更为严重。目前，多频耦合疲劳损伤的演变机制及其对钢结构残余极限强度的影响仍不清楚。此外，缺乏针对疲劳损伤钢结构残余承载能力的多尺度定量评估方法，这严重限制了对实际钢结构的安全评估和全生命周期维护。

为了解决上述研究空白和工程需求，本研究重点关注多频耦合疲劳损伤对钢结构的影响。采用涵盖钢材、结构板和工程部件的多尺度研究框架，系统研究了多频疲劳损伤累积后钢结构的极限强度退化行为。通过结合实验测试、理论推导和数值模拟，阐明了疲劳损伤模式对钢结构残余极限强度的独立效应和耦合效应。本研究的结果旨在揭示多频疲劳损伤引起结构性能退化的本质机制，并为在复杂循环载荷作用下的在役钢结构的安全评估提供理论支持和技术参考。

实验设计
按照ISO 6892-1: 2019（GB/T 228.1–2021）[41]标准，制备了如图1所示的标准犬骨形拉伸试样。本研究选择了Q345qD结构钢作为测试材料[42]，这是一种广泛应用于桥梁工程的典型钢材。每个试样的总长度为235毫米，由三部分组成：一个中央均匀截面、两个端部夹持部分以及连接截面和夹持部分的过渡圆角。

弹性屈曲
图8展示了在四个边缘简支并受到均匀平面应力σx作用的未加固和纵向加固的弹性薄钢板。当合力N（=σx·t）达到临界值时，会发生屈曲，产生最大屈曲挠度w。

未加固矩形钢板中面的垂直于平面的屈曲挠度如下所示。

结构设计和数值建模
考虑到几何非线性和开发的疲劳损伤本构模型，对钢板的极限强度进行了数值分析。一般来说，钢板的极限强度受宽厚比λp的控制[45]、[46]，定义为：
λp = σy / σcr = 1.05bt / σyE1k
其中σcr表示钢板的弹性屈曲欧拉应力。

数值分析包括了未加固和加固的钢板。初始缺陷包括...

结构设计和数值模型
进行了数值研究，以评估考虑疲劳损伤的钢结构部件的极限强度。选择了空心矩形和空心圆形钢桥墩作为参数研究对象，包括有无纵向刚性加固件的配置。矩形桥墩的翼板和腹板的宽厚比在公式（15）中定义，而圆形桥墩的半径厚比由公式给出。

结论
本研究研究了钢结构在多频疲劳载荷作用下的极限强度退化现象，研究范围从钢材和单个板材到结构部件。通过实验测试、理论推导和数值分析，系统揭示了不同疲劳损伤模式对残余极限强度的独立效应和耦合效应。主要结论总结如下：
1. 钢材的强度和...

作者贡献声明
Zhanzhan Tang：撰写——原始草稿、资源获取、概念化。
Jiachen Yu：软件、数据管理。
Chengpeng Xiao：软件、数据管理。
Hao Liu：软件、方法论、数据管理。
Hanyang Xue：撰写——审稿与编辑、可视化。
Chenchen Geng：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明
作者声明本手稿的发表不存在利益冲突。

致谢
作者衷心感谢扬州大学青兰项目和国家自然科学基金（51708485）的财政支持。

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