焊接是现代钢结构主要的连接方式之一,在高层结构的节点中应用十分广泛。高层钢结构的焊接节点由于局部的应力集中效应和焊接缺陷,在交变荷载作用下,可能会在工作应力低于甚至远低于静力强度的工况下发生疲劳损伤乃至破坏,对结构的正常工作和安全性能产生严重的威胁。目前缺乏可靠的焊接节点累计疲劳效应计算和寿命评估方法,使得高层钢结构节点抵抗风力和强震作用产生的累计疲劳损伤的能力不足。因此必须重视高层钢结构焊接节点的疲劳性能研究。本文围绕高层钢结构焊接节点疲劳寿命研究这一主题,通过理论计算、数值模拟和试验研究等手段,以应变能密度指标作为评估焊缝疲劳裂纹萌生和扩展的参量,开展了高层钢结构焊接节点在高周低应力状态下的疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展分析和疲劳寿命预测等系列研究工作,取得了以下主要工作成果:1、基于局部平均应变能密度,开展了焊接节点裂纹萌生分析和寿命评估。基于切口应力强度因子概念,引入局部应变能密度作为疲劳参量,建立焊趾或焊根处半径R₀=0.28mm区域内的平均应变能密度与高周疲劳寿命的关系（W-N曲线）。以十字焊接接头、梁柱焊接节点为例,利用平均应变能密度法进行寿命评估,并与基于应力的分析方法进行对比。结果表明,焊根未熔透深度越大,焊接接头疲劳寿命越短,梁柱节点在焊趾和焊根处沿翼缘宽度应力分布呈现W形和V形,危险位置均在翼缘宽度边缘,焊根疲劳寿命较焊趾更短;平均应变能密度法对焊趾和焊根均适用,能够综合考虑应力集中点周围区域的疲劳状态,同时网格敏感度较低,选用统一的W-N曲线,在裂纹萌生评估中具有良好的应用前景。2、基于应变能密度因子,开展了焊接节点裂纹扩展分析和寿命评估。利用平均应变能密度法、交互积分法、位移外推法实现对应力强度因子的有效计算,提出基于单元应变能密度的应变能密度因子求解方法,简化了计算过程并且适用于三维问题求解。建立基于极小应变能密度因子的裂纹扩展模型((9(6/(9-₈4)9))公式),采用分扩展步求和的方法对CT标准试件、考虑焊根初始裂纹的梁柱焊接节点进行疲劳裂纹扩展评估,并与Paris模型对比。结果表明,裂纹初始长度对疲劳寿命影响很大,需要严格控制;梁柱节点在上、下翼缘裂纹处的断裂参数的分布分别呈现V形和W形分布,危险位置均在翼缘宽度边缘。应变能密度因子扩展模型,能够反映裂纹扩展的方向和速率,综合考虑裂纹尖端各应力强度因子分量的作用,在裂纹扩展评估中具有良好的应用前景。3、开展了钢焊接试件的疲劳裂纹萌生试验、疲劳裂纹扩展试验,测定了焊缝的高周疲劳参数,并验证了寿命评估方法的有效性。通过对平板对接焊缝试件、十字K形焊缝试件进行轴向拉压循环高周疲劳裂纹萌生试验,测定了W-N曲线满足97.7%保证率的特征参数。通过对预制缺口处分别为Q235B母材、焊缝的两种CT标准试件进行轴向拉伸疲劳裂纹扩展试验,测定了基于应变能密度因子模型、Paris模型的裂纹扩展速率参数。结果表明,平板接头裂纹萌生寿命离散性较十字接头更大,高寿命区评估结果与试验寿命偏差较大;母材、焊缝的裂纹扩展特征存在差异,焊缝区呈现平均扩展速率较低、但波动性较大的特点;应变能密度法对疲劳试件寿命的评估具有较高的准确性。4、建立考虑局部梁柱焊接节点的高层钢结构多尺度有限元模型,利用平均应变能密度法、应变能密度因子法对节点焊缝进行疲劳寿命评估,形成一套基于应变能密度的高层钢结构焊接节点高周疲劳评估方法。以某高层钢框架结构为例,分析结果表明,梁柱焊接节点在重力荷载和风荷载作用下是典型的高周疲劳问题,梁柱焊接节点在上翼缘焊根处的疲劳损伤最为严重,寿命远低于焊趾处;假定焊根部位存在初始a₀=0.5mm的三维贯穿裂纹,则裂纹可能在结构正常工作年限内扩展至翼缘厚度一半,乃至于使节点发生破坏,因此在设计和施工时需要严格把控重要焊接节点的焊缝疲劳验算和焊接质量,并通过探伤等手段进行监测,保证焊接节点和结构的安全。本文的研究工作和成果,可为高层钢结构焊接节点的疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展寿命评估和结构抗疲劳设计提供参考和建议。