在强震作用下,高耸高层钢结构焊接节点焊缝极易产生疲劳损伤累积,造成焊接节点的破坏甚至整个结构的倒塌,但国内外对焊缝在强震作用下的低周疲劳性能仍缺乏系统的研究。本文围绕强震作用下高耸高层钢结构焊缝疲劳劣化机理与寿命预测这一主题,针对高应变低周疲劳问题,通过一系列焊缝轴向等幅高应变低周疲劳试验,系统研究了焊缝在高应变循环过程中表现的疲劳性能,获得了焊缝在高应变低周疲劳中的循环应力应变响应特征和循环应力应变关系,提取了相关性能参数,揭示了焊缝在循环加载过程中应力应变变化规律及其机械性能、循环韧度和Masing特性等性能特征量的循环相关性,并在其疲劳性能的基础上提出了基于裂纹尖端塑性应变能的寿命预测模型,结合试验S-N曲线对模型进行了对比验证。试验研究表明,对接焊缝在高应变低周疲劳过程中,表现出一定程度的循环软化特征,但是很快就进入稳态循环直至破坏。循环过程中,焊缝呈现出明显的拉压塑性应变不对称性。在塑性变形过程中,正向受拉加载引起塑性应变强化,反向受压加载时出现塑性应变软化,具有强烈的包辛格效应。通过X射线衍射分析了循环过程中焊缝残余应力的变化,发现残余应力在循环前期即释放,对焊缝低周应变疲劳性能影响不大。通过不同应变幅下稳态应力应变响应的对比,发现随着总应变幅的增加,弹性应变幅数值变化很小,塑性应变幅在总应变幅中的比例逐渐增大。高应变幅下,焊缝主要发生塑性变形。随着总应变幅的增大,塑性应变幅相应增大,焊缝的循环韧度增大,焊缝能够吸收的过载能量增加。根据Hollmom方程拟合得到焊缝高应变低周稳态循环应力应变关系式,对比母材钢循环应力应变曲线关系结果可知,焊缝的循环强度系数和循环硬化指数均低于母材。通过比较焊缝单调拉伸试验和不同循环次数拉伸阶段的循环应力应变曲线可知,循环作用下焊缝金属循环强度系数小于单调拉伸弹性模量,屈服强度下降,塑性性能下降。同时焊缝金属材料稳态滞回曲线的上半段不能完全重合,因而焊缝金属Masing特性不明显。通过积分计算滞回环包络面积求解焊缝的循环滞回能,看出在循环过程中,随着循环次数的增加,焊缝的塑性应变能基本保持不变,变化区间小于1%。大量塑性应变造成的塑性应变能的累积,进而产生的不可逆损伤是产生疲劳破坏的根本原因。伴随着裂纹的扩展,裂纹尖端总是存在一个变化的塑性区,而循环过程中塑性应变能具备循环稳定性,所以裂纹尖端塑性应变能是一个描述高应变低周疲劳损伤的重要参量,可以用来预测低周疲劳寿命。本文按照Irwin塑性区模型,运用Mises准则,重新推导了裂纹尖端塑性应变能与应力幅的关系,取单向拉伸的极限塑性应变幅对应的应力计算了临界状态塑性应变能。假设临界塑性应变能与疲劳寿命之间为幂函数关系,考虑断裂前最后—次弹性应变能积累的影响,参考Manson-Coffin公式的形式,得到了基于尖端塑性应变能的疲劳寿命预测公式,试验表明该模型适合焊缝高应变低周疲劳。