高层建筑风致疲劳分析中的钢材强度退化模型

郑晓伟; 吕恒林; 李宏男; 张营营

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.202111035

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高层建筑风致疲劳分析中的钢材强度退化模型

多灾耦合作用下工程结构损伤识别与风险评估 | 更新时间：2025-09-25

- 高层建筑风致疲劳分析中的钢材强度退化模型
- Steel Strength Degradation Model for Wind‑induced Fatigue Analysis of High‑rise Buildings
- 防灾减灾工程学报 2022年42卷第2期页码：276-282
- 作者机构：
  
  1.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 221116
  2.江苏建筑节能与建造技术工程技术中心，江苏徐州 221116
  3.大连理工大学建设工程学部，辽宁大连 116024
- 作者简介：
  
  郑晓伟（1990—），男，讲师，博士。主要从事工程结构多灾害效应与韧性评估研究。E‑mail: xwz217@163.com
- 基金信息：
  
  中央高校基本科研业务费专项资金(2021-11044);徐州市住房和城乡建设局攻关项目(2019‑10612)
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.202111035
  中图分类号： TU312
- 纸质出版：2022-04-28
- 稿件说明：
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郑晓伟,吕恒林,李宏男等.高层建筑风致疲劳分析中的钢材强度退化模型[J].防灾减灾工程学报,2022,42(02):276-282.

ZHENG Xiaowei,LYU Henglin,LI Hongnan,et al.Steel Strength Degradation Model for Wind‑induced Fatigue Analysis of High‑rise Buildings[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(02):276-282.
郑晓伟,吕恒林,李宏男等.高层建筑风致疲劳分析中的钢材强度退化模型[J].防灾减灾工程学报,2022,42(02):276-282. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.202111035.

ZHENG Xiaowei,LYU Henglin,LI Hongnan,et al.Steel Strength Degradation Model for Wind‑induced Fatigue Analysis of High‑rise Buildings[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2022,42(02):276-282. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.202111035.

摘要

全寿命周期内风荷载长期作用下，钢结构中的钢材和节点将出现不同程度的累积损伤。风致疲劳损伤后结构的抗震能力必然发生相应变化，而疲劳累积损伤条件下的材料和节点剩余力学性能模型，是准确开展损伤后结构抗震性能评估的关键。鉴于此，通过贝叶斯理论，建立基于物理机制的钢材强度退化模型分析方法。首先，收集高周疲劳预损伤钢材强度退化的试验数据，并选取常用的强度退化模型，通过贝叶斯更新准则确定了退化模型参数的后验估计值。其次，基于钢材强度退化模型，给出了确定风致疲劳劣化焊接梁柱节点弯矩和转角骨架曲线的分析方法。结果表明：（1）疲劳累积损伤条件下的传统钢材强度退化模型离散性大，且缺少必要的数学和物理依据，而基于贝叶斯理论的强度退化模型可有效弥补这一缺陷；（2）相同试验数据，不同强度退化模型得到的结果差异性较大，且不存在普遍适用的最优模型。通过贝叶斯理论建立的钢材强度退化模型，可有效考虑材料型号、试件尺寸、疲劳荷载模式和加载机制等多种因素对试验结果的影响，且可借此反映风致累积损伤对结构性能退化的影响，有助于提高风致疲劳损伤后高层钢结构建筑地震风险评估结果的可靠性。

Abstract

In the whole lifetime of steel structures subject to long-term wind loads， there will be fatigue damage accumulation in the steel material and beam-to-column connections. Seismic performance of the structures will certainly change because of the wind-induced fatigue. It is essential to determine the residual mechanical properties of the steel materials and connections under the action of fatigue cumulative damage when assessing the seismic performance of the deteriorated structures. In this regard， a Bayesian-based method is proposed to establish the physics-based strength degradation model of steel. Firstly， collect the static mechanical experimental data of pre-fatigued steel and choose the widely used strength degradation models， then the Bayes theory is used to develop posterior probability distribution of the unknown model parameters. Secondly， according to the strength degradation model of steel， an analytical method is presented to develop the moment-rotation model for the fatigued welded connections. It can be concluded that：（1） Traditional strength degradation model considering the fatigue cumulative damage will produce large scatter， and lacks necessary mathematical and physical background， which limits their applications， on the contrary， the degradation model obtained by the Bayesian-based method can effectively reduce the model error. （2） For the same test data， there is significant difference in different degradation models and there is no universally applicable optimal strength degradation model. The effects of steel type， experimental specimen size， fatigue load mode and loading mechanism can be well considered in the proposed physics-based strength degradation model. Furthermore， this presented degradation model can be used to reflect the impacts of the wind-induced fatigue cumulative damage on the structural behaviors’ deterioration， which is beneficial to improve the reliability of seismic risk assessment on the deteriorated high-rise steel structure buildings suffered the wind-induced fatigue cumulative damage.

关键词

Keywords

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黄侨，汪炳，刘小玲，等 . 重复荷载作用后栓钉连接件的剩余力学性能［J］. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2018 ， 46 （ 6 ）： 54 - 64 .

Huang Q ， Wang B ， Liu X L ， et al . Residual mechanical properties of stud connectors under cyclic loading ［J］. Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition）， 2018 ， 46 （ 6 ）： 54 - 64 . （in Chinese）

吴德飞，童根树 . 含初始缺陷钢结构损伤累积至断裂及后期的调查分析［J］. 工程力学， 2006 ， 23 （ 8 ）： 160 - 167 .

Wu D F ， Tong G S . Damage accumulation， fracture and post fracture analysis for nintially flwed steel structures ［J］. Engineering Mechanics ， 2006 ， 23 （ 8 ）： 160 - 167 . （in Chinese）

姜菊生，张伟根，郭乙木，等 . 金属材料疲劳损伤的定量研究［J］. 材料科学与工程， 2000 ， 18 （ 1 ）： 45 - 48 .

Jiang J S ， Zhang W G ， Guo Y M ， et al . The quantitative research of fatigue damage for metal materials ［J］. Materials Science ＆Engineering ， 2000 ， 18 （ 1 ）： 45 - 48 . （in Chinese）

Bigaud D ， ALI O . Time-variant flexural reliability of RC beams with externally bonded CFRP under combined fatigue-corrosion actions ［J］. Reliability Engineering & System Safety ， 2014 ， 131 ： 257 - 270 .

Liu Y ， Li H N ， Li C ， et al . Lifetime seismic performance assessment of high-rise steel-concrete composite frame with buckling-restrained braces under wind-induced fatigue ［J］. Structural Engineering and Mechanics ， 2021 ， 77 （ 2 ）： 197 - 215 .

Gao J ， An Z . A new probability model of residual strength of material based on interference theory ［J］. International Journal of Fatigue ， 2019 ， 118 ： 202 - 208 .

刘苏超，姜长杰，刘新田 . 基于强度退化的金属材料疲劳寿命预估［J］. 机械强度， 2021 ， 43 （ 3 ）： 742 - 746 .

Liu S C ， Jiang C J ， Liu X T . Fatigue life prediction of metal materials based on strength degradation ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2021 ， 43 （ 3 ）： 742 - 746 . （in Chinese）

张禄，纪威，周炜，等 . 基于强度退化的疲劳累积损伤模型［J］. 农业工程学报， 2015 ， 31 （增1 ）： 47 - 52 .

Zhang L ， Ji W ， Zhou W ， et al . Fatigue cumulative damage models based on strength degradation ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering ， 2015 ， 31 （ Sup1 ）： 47 - 52 . （in Chinese）

Philippidis T P ， Passipoularidis V A . Residual strength after fatigue in composites： Theory vs. experiment ［J］. International Journal of Fatigue ， 2007 ， 29 （ 12 ）： 2104 - 2116 .

李铁英，雷宏刚，张善元 . 金属材料疲劳累积损伤引起的强度衰减分析［J］. 太原理工大学学报， 2001 ， 32 （ 5 ）： 446 - 448 .

Li T Y ， Lei H G ， Zhang S Y . Strength decreasing analysis of metal fatigue cumulative damage ［J］. Journal of Taiyuan University of Technology ， 2001 ， 32 （ 5 ）： 446 - 448 . （in Chinese）

段忠东，欧进萍 . 金属材料的非线性疲劳累积损伤模型及强度衰减分析［J］. 应用力学学报， 1998 （ 3 ）： 106 - 111 .

Duan Z D ， Ou J P . Nonlinear fatigue cumulative damage model and strength degradation analysis of metal materials ［J］. Chinese Journal of Applied Mechanics ， 1998 （ 3 ）： 106 - 111 . （in Chinese）

李莉，谢里阳，何雪浤，等 . 疲劳加载下金属材料的强度退化规律［J］. 机械强度， 2010 ， 32 ： 967 - 971 .

Li L ， Xie L Y ， He X H ， et al . Strength degradation law of metallic material under fatigue loading ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2010 ， 32 ： 967 - 971 . （in Chinese）

李琳 . 疲劳载荷下螺栓刚度及强度退化规律研究［D］. 沈阳：东北大学， 2013 .

Li L . Research on the law of the stiffness degradation and strength degradation of the bolt under fatigue loads ［D］. Shenyang ： Northeasten University ， 2013 . （in Chinese）

吕海波，姚卫星 . 元件疲劳可靠性估算的剩余强度模型［J］. 航空学报， 2000 ， 21 （ 1 ）： 75 - 78 .

Lyu H B ， Yao W X . Residual strength model for fatigue reliability estimation of components ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2000 ， 21 （ 1 ）： 75 - 78 . （in Chinese）

赵维涛，安伟光，吴香国 . 基于累积损伤的结构系统时变刚度可靠性分析［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2006 ， 27 （ 6 ）： 812 - 815 .

Zhao W T ， An W G ， Wu X G . Time-dependent stiffness reliability analysis of the structural system based on the cumulative damage ［J］. Journal of Harbin Engineering University ， 2006 ， 27 （ 6 ）： 812 - 815 . （in Chinese）

Gardoni P ， Der K A ， Mosalam K M . Probabilistic capacity models and fragility estimates for reinforced concrete columns based on experimental observations ［J］. Journal of Engineering Mechanics ， 2002 ， 128 （ 10 ）： 1024 - 1038 .

Zheng X W ， Li H N ， Gardoni P . Probabilistic seismic demand models and life-cycle fragility estimates for high-rise buildings ［J］. Journal of Structural Engineering ， 2021 ， 147 （ 12 ）： 04021216 .

Gelman A ， Carlin J B ， Stern H S ， et al . Bayesian Data Analysis ［M］. Third ed . New York ： Chapman & Hall ， 2020 .

熊俊 . 强震作用下钢框架焊接节点损伤性能和计算模型研究［D］. 北京：清华大学， 2011 .

Xiong J . Research on the damage behavior and calculation model of welded connections in steel frames under earthquakes ［D］. Beijing ： Tsinghua University ， 2011 . （in Chinese）

Eurocode 3： Design of steel structures ［S］. London ： Institution of Civil Engineers ， 2005 .

方钊 . 高层钢结构梁柱焊接节点风致疲劳寿命预测研究［D］. 南京：东南大学， 2019 .

Fang Z . Study on wind-induce fatigue life assessment of welded beam-to-column connections in steel high-rise structures ［D］. Nanjing ： Southeast University ， 2019 . （in Chinese）

方钊，李爱群，李万润，等 . 钢结构风致疲劳分析的多尺度有限元验证分析［J］. 浙江大学学报（工学版）， 2018 ， 52 （ 6 ）： 1131 - 1139 .

Fang Z ， Li A Q ， Li W R ， et al . Verification on multi-scale finite element of wind-induced fatigue of steel structures ［J］. Journal of Zhejiang University （Engineering Science）， 2018 ， 52 （ 6 ）： 1131 - 1139 . （in Chinese）

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