引用格式：
Fan JH, Wang WD, Shi YL, Zheng L. Low-cycle fatigue behaviour of concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) members for wind turbine towers. Thin-Walled Structures, 2024, 205: 112384.
Highlights:
1. Low-cycle fatigue tests of CFDST specimens with different loading are conducted.
2. The degradation mechanism subjected to cyclic loads is investigated.
3. The effects of hollow, slenderness, and drift ratios are estimated.
4. The low-fatigue life is related to defects and stress levels.
论文信息：
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.tws.2024.112384
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https://authors.elsevier.com/c/1jhotx-8Rbmq-
DOI: 10.1016/j.tws.2024.112384
一、研究背景
中空夹层钢管混凝土（Concrete Filled Double Skin Steel Tube, CFDST）结构因其出色的承载能力、耐久性和抗震性能，具备替代传统风电塔筒的能力。这种结构不仅能够有效减轻风电塔的自重，降低基础施工费用，还为电缆及其他设备的布置提供了更多空间，从而提升了风电塔的整体设计效率以及极端荷载下的抵抗能力。近日，超强台风“摩羯”登陆海南文昌沿海地区，风力最大达到17级，对附近风场的风电机组造成了严重影响，如图1所示。相比传统钢塔，CFDST结构可提升水平荷载作用下的变形能力，避免局部变形影响结构整体承载能力甚至结构倒塌的发生。此类高耸建筑不但承受竖向荷载还承担使用环境决定的水平随机荷载，而随机荷载的特点致使结构可能会遭受疲劳问题的困扰。因此，研究CFDST构件的低周疲劳性能是解决此类结构耐久性问题重要的一环。
图1 台风“摩羯”造成的风电机组破坏 (部分照片来源：微博视频截图)
本研究通过进行两种不同的低周往复加载方式，研究构件在不同几何参数(空心率、长细比)以及荷载条件下(轴压比及不同的等幅加载幅度)的疲劳性能。分析了各参数在等幅加载下对试件典型破坏模式、承载能力及耗散能力的影响机制。并探讨了循环荷载引起的不同水平塑性变形的机制及其对疲劳寿命的影响。
二、试验准备与现象
进行中空夹层钢管混凝土柱低周疲劳试验共16个。试验所需竖向荷载大小按照T/CCES 7-2020《中空夹层钢管混凝土结构技术规程》的计算方法进行确定。图2为试验装置的三维示意图与试验中加载方式示意。
图2试验装置预加载制度示意
图3展示了试件不同参数下的破坏形态以及对应的加载时刻。试件整体呈现弯曲破坏，局部破坏包含塑性铰区域外钢管的鼓曲、断裂；加劲肋失效；混凝土开裂与压碎。现象说明在滞回加载过程中，试件最终破坏主要由大变形控制，而等幅加载试件初始裂纹以及破坏时刻均与幅值大小有关。增大竖向荷载、侧移率以及空心率会加剧混凝土的破坏程度。在确保截面尺寸相同的情况下，小长细比试件表现出更严重的拉压损伤。内钢管未表现出明显的鼓曲现象，加载方式、等幅加载的不同幅值、轴压比、长细比以及空心率都不影响其破坏形态。表1汇总了试件的低周疲劳寿命以及破坏现象。
图3 往复加载下试件的破坏形态汇总
图4所示为两种加载制度下试件的滞回曲线。对于等幅试件，增大长细比会显著降低最大位移承载力，增大轴压比和空心率可增大最大位移承载力，但轴压比会导致塑性阶段加快承载力和刚度退化程度，空心率增大会导致曲线捏缩。侧移率为2%和4%的试件未表现出强度、刚度的退化，而6%侧移率试件由拉应力产生的塑性变形十分明显且损伤累积迅速导致试件表现出明显的性能退化。
图4 滞回曲线对比
图5对比了试件CFDST5H32不同高度处外钢管纵向应变以及各循环应变峰值。钢材断裂导致了外钢管拉应力峰值随着加载的进行而减小。所有参数通过改变外钢管拉应变水平呈现出不同的破坏发展规律。塑性区域拉应力越大，试件疲劳寿命越短且峰值拉应变退化越明显。
图5 应变加载次数曲线
三、性能退化
图6为中空夹层钢管混凝土最大位移承载力的退化情况。2%侧移率的持续循环加载不会发生明显的承载力下降现象，但侧移率的增加使最大位移承载力出现下降趋势。其中，轴压比为0.5时，由于高水平的竖向荷载导致局部钢管屈曲，承载力在未发生贯穿破坏前出现下降。初始裂纹并不影响试件承载力但当裂缝在钢管壁厚方向贯穿并向水平方向发展时承载力下降，因为裂缝的发展影响有效抗弯截面面积。
图6 各参数对最大位移对应承载力的影响
图7为不同参数下试件能量耗散以及累积耗能比的情况。试件各循环耗能随着循环次数逐渐减小，凸显了低周疲劳累积损伤的发展。通过累积耗能比可发现，导致耗能水平不同的主要因素是侧移大小，轴压比以及空心率对耗能退化率的影响是不明显的。在等幅位移荷载作用下，试件损伤在不同幅值下均呈现线性累积。
图7循环耗能与耗能累积比
图8展示了终止加载时循环耗能与初始循环耗能的比值(耗能指标)以及累积耗能比随参数变化的情况。当幅值小于4%时，等幅加载的耗能指标随着幅值的增加减小，耗能退化随着幅值的增加而加剧。减小长细比以及增大空心率可改善耗能退化情况。低幅值试件累积耗能较高，主要由弹性耗能组成，塑性耗能占比少。因此试件低周寿命增加，累积耗能随之增加。
图8 参数对耗能能力的影响
四、结论
Conclusions
1
疲劳低周往复加载下中空夹层钢管混凝土试件以弯曲破坏为主，钢管在塑性铰区域应力集中处发生断裂。夹层混凝土在塑性铰位置发生水平或斜向分布的压缩破坏。
2
等幅加载幅值使钢管应力水平差异，大侧移率试件滞回曲线最饱满呈纺锤形，小侧移率试件接近弹性阶段呈平行四边形。结构损伤累积导致承载力在钢管断裂前下降，钢管撕裂后部分钢管退出工作使下降趋势加剧。
3
材料初始缺陷及应力集中导致初始裂纹的产生时刻提前。应力水平增大，每次循环的损伤增加，钢管裂缝贯穿时刻提前。幅值的增长会加剧结构的不可恢复耗能，表现出显著的循环耗能退化现象。
4
预加载会降低中空夹层钢管混凝土试件的承载力、耗能并提前初始裂缝的出现时刻。侧移率的增加会显著降低疲劳寿命。提高轴压比及空心率可推迟试件的疲劳断裂时刻，减小长细比会表现出相反影响。
六、相关文献
作者简介
范家浩：男，甘肃人，博士研究生。主要从事钢与混凝土组合结构静力性能研究。
2018.09-2021.06，兰州理工大学结构工程专业，硕士研究生（导师：王文达教授）
郑龙：男，辽宁人，讲师。主要从事钢与混凝土组合结构的抗震、抗连续倒塌及抗冲击性能研究。2023年甘肃省优秀博士毕业论文获得者。
2016.09-2019.06，兰州理工大学 土木工程学院 结构工程专业，硕士研究生（导师：王文达教授、史艳莉教授）
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Part.7
纤维模型与子程序开发等
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Part.8
装配式钢筋混凝土结构
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Part.9
新型高性能结构材料
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Part.10
新型吸能结构
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Part.11
风电工程结构
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[2].Shi Yan-Li, Ren Jia-Xing, Fan Jia-Hao, Wang Wen-Da, Wang Hai-Cui*. Bonding-slip behaviour of steel-concrete interfaces in CFDST members with PBL ribs. Engineering Structures, 2024, 314: 118384.
[3].Duan Li-Xin, Wang Wen-Da*, Zheng Long, Shi Yan-Li. Dynamic response analysis of monopile CFDST wind turbine tower system under wind-wave-seismic coupling action. Thin-Walled Structures, 2024, 202: 112089.
编辑：郑 龙
审核：王文达
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王文达课题组
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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组
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