高层钢结构梁柱焊接节点在风荷载作用下可能会由于局部应力集中而导致疲劳破坏,因此急需发展一套系统的针对该类结构的疲劳寿命预测方法,为结构的设计提供参考。本文采用试验、模拟与理论相结合的研究方法,首先针对焊接接头标准试件进行了疲劳试验,并随后进行了梁柱焊接节点局部试件的疲劳试验,在此基础上对某高层钢结构进行了测压风洞试验,由此提出了一种被称为“一体化多尺度疲劳分析法”的结构疲劳分析方法,并结合多尺度有限元建模,分别采用基于名义应力、结构应力、局部应力以及断裂力学等多种寿命预测方法,对该高层钢结构应力集中的局部焊缝位置进行了疲劳裂纹萌生寿命预测及疲劳裂纹扩展寿命预测。本文的主要研究工作和取得成果如下:1.焊接接头标准试件的轴向疲劳试验研究。采用不同形式的焊接接头标准试件分别进行了轴向高周疲劳试验以及低周疲劳试验;对试验结果后处理方法进行改进,提出了一种考虑试件夹持端与试验机夹具之间滑移效应的线性滑移模型,从而提高结果后处理的精准度;对试件的疲劳破坏特性进行了分析,提出了各类试件的典型破坏形式以及破坏规律;在有限元建模的基础上,采用多种寿命预测方法对试件进行了寿命预测,并通过与试验结果的对比,探讨了寿命预测方法的精准度;对焊接接头的疲劳设计曲线进行了改进和拓展,建立了一种更为便捷的同时适用于焊接接头高周疲劳和低周疲劳寿命预测的统一设计曲线,为工程焊接构件的设计提供了参考。研究结果表明:焊接接头标准试件的寿命预测结果与实际试验结果虽略有差距但整体吻合较好;试件的夹持端与试验机夹具之间的滑移效应可以用线性滑移模型加以考虑,由此提高了试验结果后处理的精度;建立的统一设计曲线能够同时适用于焊接构件高周疲劳以及低周疲劳的寿命预测和设计并取得较好的结果。2.高层钢结构梁柱焊接节点局部试件的疲劳试验研究。对现有的高层钢结构梁柱焊接节点局部试件进行改进,设计了具有夹持端的节点局部试件,从而更为便捷地进行试验;对该试件进行了轴向拉压循环疲劳试验,对其疲劳性能进行了分析,总结了该类试件的破坏形式;在有限元建模的基础上,基于新建立的适用于高周疲劳和低周疲劳的统一设计曲线采用多种寿命预测方法对试件进行了寿命预测,并通过与试验结果的对比,探讨了各寿命预测方法在梁柱节点局部位置的精准度,并且验证了该统一设计曲线在梁柱节点局部位置的适用性。研究结果表明:在循环荷载的作用下,高层钢结构梁柱焊接节点局部焊缝位置具有较好的能量耗散能力,但疲劳强度以及抗疲劳能力相对稍差;各寿命预测方法均能在高层钢结构梁柱焊接节点的局部位置处取得较好的寿命预测效果;该统一设计曲线在避免弹塑性有限元分析的同时能够较好地适用于高层钢结构梁柱焊接节点局部焊缝位置的疲劳寿命预测以及设计。3.高层钢结构一体化多尺度疲劳分析法及多尺度建模验证。针对某高层钢结构的缩尺模型进行了刚性模型测压风洞试验研究,以平均风压系数以及脉动风压系数等指标探讨了结构表面的风压分布规律,并与中日规范的相应参考值以及计算流体动力学模拟结果进行了对比和分析,在此基础上分别考虑良态风和台风的作用,模拟了结构表面的风荷载时间序列;提出了一体化多尺度疲劳分析法,该方法能够较简便地确定整个结构最危险的梁柱焊接节点位置并更准确地预测该节点最危险焊缝局部位置的疲劳寿命;建立了由整体尺度模型、局部节点尺度模型以及局部焊缝尺度模型三种尺度模型组成的结构多尺度有限元分析模型,从而进行了焊接节点的疲劳寿命预测;在此基础上,验证了多尺度建模方法的合理性,并对建模中关键参数的选择提出了建议。研究结果表明:该风洞试验获得的体型系数和平均风压系数比规范参考值略微偏大,但比计算流体动力学的模拟值略微偏小,且相互之间整体变化趋势吻合较好,因此可认为该风洞试验结果较为可信;一体化多尺度疲劳分析法能够较为便捷地确定整个结构最危险的焊缝位置并且更准确地计算其疲劳寿命;对于高层钢框架支撑结构而言,底层边跨梁柱节点的内侧梁上翼缘板与柱连接焊缝的侧部焊趾处易发生疲劳破坏;采用约束方程法或子模型法建立的多尺度有限元模型在疲劳分析中能取得较好的精度;子模型法相对于约束方程法的精度更高,但更易受局部细观尺度模型区域大小的影响。4.高层钢结构梁柱焊接节点风致疲劳裂纹萌生寿命预测研究。对等效结构应力法、临界距离法以及缺口应力法进行了适用于土木结构及随机风荷载效应的拓展改进,对危险梁柱焊接节点的焊缝位置进行了良态风作用下的高周疲劳裂纹萌生寿命预测,并且进一步研究了各方法中计算结果对网格精细度的敏感性以及计算结果的收敛性;通过不同方法结果之间的对比,对各方法存在的问题进行了探讨;在此基础上对高层钢结构的梁柱焊接节点进行了在普通台风、强台风和超强台风等极端强风作用下的低周疲劳寿命预测,为梁柱焊接节点的相关设计提供参考。研究结果表明:经过拓展改进的等效结构应力法、缺口应力法以及临界距离法均能在高层钢结构梁柱焊接节点的风致疲劳寿命预测中取得较好的计算结果;当在焊缝附近存在较大的应力梯度变化时,热点应力法或等效结构应力法可能会低估疲劳损伤,临界距离法由于在该区域取平均应力值使得应用更为灵活,当局部应力沿焊缝深度方向分布非常不均匀时,缺口应力法由于子模型技术的使用可能会导致结果偏离实际值;在极端强风作用下,高层钢结构焊接节点的局部焊趾处有可能会产生较大的塑形应变,并最终导致低周疲劳破坏。5.高层钢结构梁柱焊接节点风致疲劳裂纹扩展寿命预测研究。对应力强度因子的求解方法进行了创新,提出了一种采用应变能密度因子计算二维裂纹尖端应力强度因子的方法,并且将该方法应用于I型裂纹、II型裂纹以及I+II复合型裂纹,通过与理论值的对比证明该方法有较好的精度;对焊接构件的二维贯通裂纹扩展进行了讨论,对现有的利用应变能密度因子计算疲劳裂纹扩展的方法进行了改进,提出了一种通过有限元计算结果直接计算应变能密度因子并进行疲劳裂纹扩展寿命预测的方法;建立了焊接构件三维表面裂纹疲劳扩展寿命预测模型,研究了表面边裂纹和中心裂纹的扩展规律;将该寿命预测模型进行适用于土木结构及随机风荷载的拓展改进,由此建立了高层钢结构梁柱焊接节点的三维表面裂纹扩展寿命预测模型并进行了寿命预测;对各疲劳寿命预测方法的优缺点进行了全面总结并提出了实际选择的建议。研究结果表明:提出的基于应变能密度因子的应力强度因子计算方法以能量为指标,能够较好地适用于二维裂纹应力强度因子的求解;提出的改进应变能密度因子计算疲劳裂纹扩展的方法能够更高效地进行二维裂纹的扩展寿命预测;三维表面裂纹扩展寿命预测模型与实际工程的疲劳裂纹扩展更为相符,在焊接构件及高层钢结构焊接节点的疲劳裂纹扩展寿命预测中有良好的应用前景;焊接节点有初始裂纹的高层钢结构在风的作用下存在服役期内由于疲劳裂纹扩展而发生疲劳破坏的可能性。