钢结构疲劳性能提升关键技术研究与应用_岳清瑞.pdf

建设科技 27一 等 奖2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）钢结构疲劳性能提升关键技术研究与应用我国钢材产业发展迅猛，粗钢产量保持多年世界第一。各类板材、型材、特殊用途结构构件的生产能力和技术水平达到国际先进水平，钢结构加工制造技术水平位居世界前列。新型钢结构工程结构体系、荷载条件和服役环境复杂，疲劳问题更为突出，因性能不足导致结构在远低于设计寿命时发生疲劳开裂、服役性能大幅度岳清瑞5 刘晓光1 常好诵2 张玉4 王立军3 张清华6 张玉玲1 郑云7 段梦兰4 幸坤涛7 赵欣欣1 汪明3 赵晓青5 鞠晓臣1 崔闯6（1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 1 0 0 0 8 1；2.中冶建筑研究总院有限公司，北京 1 0 0 0 8 8；3.华诚博远工程技术集团有限公司，北京 1 0 0 0 7 3；4.中国石油大学（北京），北京 1 0 2 2 4 9；5.北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3；6.西南交通大学，四川成都 6 1 0 0 3 1；7.中冶检测认证有限公司，北京 1 0 0 0 8 1）摘要 复杂荷载条件和服役环境条件下结构疲劳性能问题，是制约新型钢结构工程可持续发展的世界性难题，发展相关关键技术，有效提升其疲劳性能，保障结构的安全性与耐久性，是我国国民经济可持续发展的迫切需要和重大战略需求。本项目针对钢结构工程疲劳的关键问题进行联合攻关，取得了疲劳设计、检测评估及性能提升技术体系等系列创新成果。关键词 钢结构疲劳；疲劳设计；疲劳损伤检测；疲劳性能评估；疲劳性能提升Research and Application of Key Technologies for Improving Fatigue Performance of Steel StructuresYue Qingrui5,Liu Xiaoguang1,Chang Haosong2,Zhang Yu4,Wang Lijun3,Zhang Qinghua6,Zhang Yuling1,Zheng Yun7,Duan Menglan4,Xing Kuntao7,Zhao Xinxin1,Wang Ming3,Zhao Xiaoqing,Ju Xiaochen1,Cui Chuang6(1.China Academy of Railway Sciences Co.,Ltd.,Beijing,100081;2.Central Research Institute of Building and Construction Co.Ltd.MCC group,Beijing,100088;3.Huachengboyuan Engineering Technology Group,Beijing,100073;4.China University of Petroleum(Beijing),Beijing,102249;5.University of Science and Technology Beijing,Beijing,100083;6.Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan,610031;7.Inspection and Certification Co.,Ltd.MCC,Beijing,100088)Abastract:Structural fatigue performance under complex load conditions and service environment conditions is a worldwide problem that restricts the sustainable development of new steel structural engineering.Developing relevant key technologies,effectively improving their fatigue performance,and ensuring the safety and durability of structures are urgent and significant strategic needs for the sustainable development of Chinas national economy.This project has jointly tackled the key problems of fatigue in steel structural engineering and achieved a series of innovative achievements in fatigue design,detection and evaluation,performance improvement technology system.Keywords:steel structure fatigue;fatigue design;fatigue damage detection;fatigue performance evaluation;fatigue performance improvement降低、甚至引发灾难性事故的风险极为突出。本项目以钢结构工程建设和安全服役需求为牵引，历经20余年科研攻关，通过对国内重大工程钢结构的疲劳调查、疲劳理论和试验研究及工程实践，形成了钢结构工程疲劳设计方法体系、疲劳性能评估方法体系和多种疲劳加固新方法。DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.00328 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊1 发展了钢结构工程疲劳设计方法1.1 构建了钢结构工程疲劳荷载谱（1）发展完善了桥梁交通荷载谱及其参数体系。针对公路、铁路桥梁疲劳荷载类型多样和随机性强的难题，调查统计了全国主要铁路公路干线交通荷载特征，基于疲劳损伤累积等效原则，制定了高速、重载、客货共线和城际轨道交通的铁路桥梁标准荷载频谱；提出了公路车辆疲劳荷载随机车流模拟方法并编制了分析模拟软件，结合公路钢桥关键构造细节实测应力历程曲线，制定了国内典型区域公路钢桥的疲劳荷载谱。针对公路和铁路桥梁开展了等效疲劳设计荷载研究，提出了基于设计使用年限的等效疲劳荷载计算模型和配套参数，建立了适用于桥梁钢结构的多线系数、损伤修正系数、动力系数等配套参数计算方法和标准疲劳车辆荷载模型，完善了疲劳荷载谱配套参数体系，解决了疲劳作用定量表征的技术难题。（2）建立了海洋钢结构冰荷载谱。在高纬度地区海冰是海洋钢结构疲劳失效的主要控制荷载，针对我国规范一直缺乏海冰作用的荷载谱的现状，开展了冰与结构动力相互作用和冰破坏模式研究，得到了不同作用机理下冰的挤压、弯曲、屈曲三种破坏模式及其特征，通过长期实测和分析建立了典型冰荷载随机荷载谱，实现了海洋钢结构工程疲劳荷载的突破。（3）发展了工业建筑吊车荷载谱及其参数。针对工业建筑钢吊车梁疲劳荷载的随机性问题，开展了数百根钢吊车梁疲劳荷载谱实测、统计分析，确定了钢吊车梁所承受的疲劳荷载效应及等效等幅应力分布，建立了基于不同生产工艺的钢吊车梁群体随机荷载模型，确立了适用于工业厂房钢吊车梁的欠载效应等效系数及其参数取值，系统解决了工业建筑钢吊车梁疲劳荷载计算的技术难题。1.2 发展完善了钢结构工程疲劳设计方法（1）发展了钢结构变幅疲劳损伤累积设计方法。我国钢结构工程的结构形式呈现多样化、复杂化的发展。针对钢结构变幅疲劳计算和设计的实际需求，发展了可用于预期结构使用寿命的等效常幅疲劳的计算方法，基于变斜率S-N曲线和累积损伤原理，以200万次等效常幅疲劳控制应力的形式用于计算变幅疲劳问题,提升了变幅疲劳设计方法的适用性。（2）完善了钢结构工程疲劳抗力体系。钢结构工程新型构造细节不断涌现，抗力在设计规范中无规定。对整体节点焊缝、钢管结构、钢吊车梁圆弧过渡式变截面支座等余百种钢结构工程构造细节开展焊接工艺、参数优化和疲劳试验研究，得到了不同构造细节应力分布规律、疲劳破坏特征和疲劳S-N曲线，确定新型构造细节容许疲劳应力幅，研究成果填补国内规范空白。（3）提出了低温环境下疲劳设计方法。低温使钢材韧性降低，脆性断裂风险增大。开展了钢结构工程用钢及其焊接接头在室温和低温环境下疲劳裂纹扩展速率测试和CTOD试验研究，确定了低温下疲劳裂纹扩展最优特征参数和低温临界值，建立了考虑温度变量的Paris修正公式；提出了基于CTOD失效临界模式的损伤模型，揭示了以疲劳裂纹容限急剧减小为特征的钢结构疲劳损伤低温演化机理，为低温下钢结构疲劳性能研究提供了理论依据。高纬度和高原地区气温低，低温环境钢结构工程疲劳设计无规范可依。研发了低温环境疲劳裂纹测试装置，开展低温环境下钢结构工程疲劳及裂纹扩展等试验研究，确定了低温下不同结构构造的S-N曲线和疲劳损伤设计准则，建立了寒冷地区钢结构工程疲劳设计方法。1.3 建立了基于可靠度的钢结构疲劳极限状态设计方法针对荷载、结构、材料等随机性、模糊性和时变性问题，系统研究了荷载作用的随机性与疲劳损伤演化机理，建立了基于极限应力和累积损伤模式的动态疲劳可靠性分析模型；提出了钢结构模糊随机动力响应的计算方法与材料性能试验过程中随机性与模糊性的处理方法，建立了钢结构模糊随机疲劳寿命预测理论模型与考虑裂纹扩展的模糊随机剩余强度理论模型，为建立基于可靠度的钢结构疲劳设计、评估方法奠定理论基础。钢结构疲劳设计长期采用容许应力法，基于可靠度理论的设计方法是现代设计的发展方向。通过对钢结构工程现场实测资料与以往疲劳试验资料进行统计分析，提出了荷载与抗力的统计参数，用可靠度理论对钢结构规范中规定的典型连接和构造形式的疲劳可靠度进行了校准，提出了疲劳目标可靠指标和基于分项系数的钢结构疲劳极限状态设计方法，实现了钢结构疲劳设计由容许应力法向以可靠性为基础的极限状态设计方法转变。研究成果已纳入铁路工程结构可靠性设计统一标准GB50216-2019、铁路桥涵设计规范（极限状态法）QCR9300-2018、铁路桥梁钢结构设计规范TB10091-2017、公路钢结构桥梁设计规范JTG 建设科技 29一 等 奖D64-2015、铁路钢桥连接疲劳试验方法TBT 2349-2016、工业建筑吊车梁系统检测鉴定标准（T/CECS 1119-2022），全面指导我国钢结构疲劳设计工作。研究成果在昂船洲大桥、苏通长江大桥、武汉天兴洲长江公铁大桥、青藏铁路、哈大客运专线钢桥以及渤海辽东湾海洋平台等20余项钢结构工程中得到应用。2 发展了钢结构工程疲劳检测与评估方法2.1 研发了钢结构工程疲劳损伤感知、识别与监测检测系统（1）提出了钢结构桥梁疲劳损伤感知与数字化监测检测技术。针对钢结构工程疲劳裂纹，传统检测方法效率低、工作环境恶劣、漏检率高、隐蔽性裂纹无法检测的难题，在桥梁构件层面，基于声发射导波理论建立细观疲劳开裂与性能退化的智能监测方法和关键技术；在结构体系层面，基于计算机视觉和深度学习发展宏观长大型疲劳裂纹智能识别理论与方法，建立结构体系疲劳损伤演化智能监测成套技术，实现了桥梁从隐蔽性裂纹到表观裂纹的全方位立体化感知与数字化监测检测。（2）建立了钢结构海洋平台及立管复杂构造损伤反演识别技术。针对海洋结构中传统检测方法工作条件恶劣、效率和精度低、难以保障钢结构服役性能和服役安全的难题，提出了基于数据驱动的结构复杂损伤反演方法，系统性突破了传感器优化布置、数据特征提取、损伤识别模型构建等难题，实现了钢结构海洋平台及立管复杂构造细节疲劳损伤识别。（3）构建了钢结构吊车梁群疲劳损伤自动化监测与评估预警系统。针对钢吊车梁疲劳荷载统计困难、疲劳性能评估无法即时预警的难题，建立了钢吊车梁群体疲劳自动化评估系统，搭建了基于机器视觉的天车三维空间行车定位模块和吊车梁群体应变信息采集模块，应用钢吊车梁群体疲劳评估算法，实现了钢吊车梁群体长效监测、疲劳寿命评估和安全预警，形成了钢结构工程