铸钢节点设计自由,造型美观,可铸造成多个支管从任意方向汇交的复杂形状,避免了杆件交汇处因焊缝密集而产生的较大的残余应力,并且在杆件相交部位设置的倒角能够有效的减小应力集中,适用于工程中复杂应力状态下的节点与支座处,尤其在钢管结构中能够表现出良好的力学性能。铸钢节点目前已被广泛的运用于海洋平台结构、桥梁结构、高耸结构和大跨度空间结构中,在往复荷载作用下,这些结构可能会产生疲劳问题。铸钢钢管与热轧钢管连接的环形对接焊缝为铸钢节点疲劳的薄弱部位。目前,关于铸钢节点环形对接焊缝的研究较少。因此本文以铸钢节点环形对接焊缝为研究对象,通过试验对其疲劳性能和失效机理展开研究,通过数值模拟结合试验数据对其疲劳强度分析方法进行对比,在此基础上对影响疲劳寿命的构造因素进行参数化分析。(1)为了研究铸钢节点的疲劳性能,开展了铸钢材料的疲劳试验。通过对常用铸钢材料G20Mn5QT标准试件进行应变比为-1的疲劳试验,得到其应变-寿命(e-N)曲线。与其它建筑用钢比较,发现铸钢材料的疲劳性能较差,通过疲劳断面电镜观察后,发现这是由于铸造过程中产生的气孔类缺陷导致的,并在此基础上揭示了铸钢材料疲劳失效的机理。(2)通过铸钢材料G20Mn5QT标准试件在应变比为0.1下的疲劳试验,得到其e-N曲线,并将其合理的转化为应力-寿命(S-N)曲线。对比DNV规范中母材的折减系数法和Basquin公式关于平均应力对S-N曲线的修正,以及Goodman、Geber和Solonberg考虑了不同平均应力的疲劳极限计算,发现Basquin公式和Solonberg公式能够较准确的根据平均应力对铸钢G20Mn5QT进行S-N曲线的修正和疲劳极限计算。(3)为了研究铸钢节点对接焊缝疲劳失效的机理,开展了铸钢-热轧钢焊接标准试件和铸钢-热轧钢环形对接焊缝试件的疲劳试验。通过铸钢G20MnQT与热轧钢Q345B焊接标准试件的疲劳试验得到其e-N曲线,发现其疲劳性能与铸钢G20Mn5QT相比略有降低,且远差于Q345钢。焊接标准试件基本都疲劳失效于铸钢侧的热影响区,并非焊缝处,其疲劳源主要为与铸钢类似的铸造缺陷,所以其疲劳性能与铸钢接近,但焊接热影响区内晶粒大小的不均匀使其疲劳性能比铸钢略有降低。(4)提出了一种新的铸钢-热轧钢管环形对接焊缝的接头形式,通过对其进行疲劳试验,得到该类焊接接头试件的S-N曲线。通过和已有疲劳数据的两种焊接接头试件综合比较,发现它们疲劳失效的方式均为在焊根处萌生裂纹并沿厚度方向扩展。通过对比发现本文提出的焊接接头虽具有较好的抗疲劳性能,但仍远差于焊接标准试件。这是因为铸钢-热轧钢管为壁厚不等,焊接时为了保证焊接质量,焊接接头在构造上不可避免的引入了―先天‖的缺口,这种缺口引起了较大的应力集中,使裂纹直接在缺口应力较大的焊根处萌生,从而大大缩短了疲劳的整个进程。(5)不同的焊接接头形式和构造尺寸会对疲劳性能产生较大的影响,而疲劳试验会消耗大量的时间和经济成本。因此用数值模拟对铸钢节点环形对接焊缝进行疲劳性能分析,通过数值模拟提出了疲劳裂纹萌生于焊根处的三类焊接接头的热点应力S-N曲线。此外,通过对比分析发现,用有效缺口应力法得出的疲劳寿命均偏危险,而修正的有效缺口应力法虽可得到偏安全的计算寿命,但仍存在较大的误差。基于母材的局部应变法计算过程相对复杂,精确度略差,计算结果偏危险,而基于焊接材料的局部应变法分析结果精确度较高,能较好的预测铸钢节点环形对接焊缝的疲劳性能,并且计算过程相对简单,具有良好的适用性和操作性。(6)利用数值模拟结合基于焊接材料的局部应变法,对疲劳性能的控制因素,即疲劳缺口系数K_f进行参数化分析。在常用参数范围内,K_f的波动范围在1.5~3.0之间;K_f随着壁厚t和径厚比d/t的增大基本线性增大;随壁厚比T/t的增大,先增大再减小,在T/t=2.0时达到峰值。在此基础上提出了改进的局部应变法,将局部应变法得到的S-N曲线简化为一条直线,并通过疲劳缺口系数比例的关系将其扩展至不同的构造尺寸和类型。通过此方法能较为简单求得不同类型和参数下的疲劳寿命,并且验证了该方法的可行性。