譚曉哲，宋卓彥，金 瑤，張 鑫，趙 杰

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

輸電線路角鋼塔是采用熱軋角鋼制造、螺栓連接的空間桁架結(jié)構(gòu)，在輸電線路工程中使用量大、應(yīng)用范圍廣。角鋼塔長(zhǎng)時(shí)間處于露天惡劣環(huán)境中運(yùn)行，角鋼銹蝕是其常見的破壞形式。塔腳部分積灰、濕度大，或鍍鋅層存在漏鍍、麻點(diǎn)、傷痕等缺陷，容易使鐵塔構(gòu)件產(chǎn)生局部銹蝕［1］；浮土滑落、堆積掩埋鐵塔構(gòu)件引起的塔材局部銹蝕也較為常見。塔身主材是鐵塔主要受力構(gòu)件，桿塔設(shè)計(jì)時(shí)按照兩端鉸接中心受力桿件計(jì)算，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注銹蝕對(duì)其的影響。

鋼結(jié)構(gòu)、桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范僅規(guī)定了等截面軸心受壓等邊角鋼穩(wěn)定性的計(jì)算方法［2-3］，對(duì)局部銹蝕角鋼的軸心受壓穩(wěn)定承載力計(jì)算沒有具體規(guī)定。文獻(xiàn)［4］對(duì)均勻銹蝕角鋼抗壓承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)［5］采用實(shí)驗(yàn)和有限元法對(duì)單邊連接銹蝕角鋼的穩(wěn)定承載力進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［6］采用有限元法分析了局部區(qū)域性銹蝕兩端固接失穩(wěn)壓力，研究了不同銹蝕深度下剩余失穩(wěn)壓力與銹蝕長(zhǎng)度比的關(guān)系，但未針對(duì)桿件長(zhǎng)細(xì)比、局部銹蝕位置等進(jìn)行分析。

由于缺少理論指導(dǎo)，線路檢修人員發(fā)現(xiàn)銹蝕的角鋼構(gòu)件，進(jìn)行加固、更換還是除銹防腐，難以作出判斷。若檢修人員判斷錯(cuò)誤，對(duì)需更換桿件的桿塔進(jìn)行簡(jiǎn)單除銹防腐處理，將嚴(yán)重影響輸電線路的安全運(yùn)行；如果盲目更換銹蝕構(gòu)件，又會(huì)造成資源浪費(fèi)，增加線路的運(yùn)行成本。本文利用分析準(zhǔn)確性高、成本低、速度快的ANSYS有限元分析軟件，對(duì)局部銹蝕單角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力進(jìn)行研究，分析銹蝕位置、銹蝕率、長(zhǎng)細(xì)比等對(duì)穩(wěn)定承載力的影響，提出了角鋼塔主材銹蝕時(shí)合理處置措施的判別方法，為檢修人員提供技術(shù)參考。

1 有限元模型的建立及分類

1.1 有限元模型的建立

本文選擇SHELL181殼單元模擬角鋼構(gòu)件，SHELL181殼單元有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，分別為沿X，Y，Z方向的平動(dòng)和繞X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。SHELL181殼單元具有大變形功能、非線性功能，以及截面數(shù)據(jù)定義、分析和可視化等功能，適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)。采用SHELL181殼單元可以較方便、準(zhǔn)確地模擬單角鋼受壓構(gòu)件，與實(shí)體單元相比，可減少計(jì)算量、提高計(jì)算效率。

本文選取肢寬125 mm、肢厚10 mm的典型等肢角鋼（L125×10等邊角鋼，下同）進(jìn)行分析，采用自底向上建模方法，先建立關(guān)鍵點(diǎn)，再由關(guān)鍵點(diǎn)生成線，然后通過線掃略成面。建模時(shí)采用理想彈塑性本構(gòu)模型定義鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，鋼材屈服強(qiáng)度取355 MPa，彈性模量取206 GPa，泊松比取0.3。通過賦予較薄的厚度來模擬角鋼局部銹蝕。

建立有限元模型時(shí)，對(duì)角鋼端部截面節(jié)點(diǎn)建立約束方程，創(chuàng)建一個(gè)剛性區(qū)域。通過釋放角鋼兩端節(jié)點(diǎn)X，Y，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度實(shí)現(xiàn)角鋼兩端鉸接，再釋放加載端節(jié)點(diǎn)的軸向位移自由度使角鋼能夠軸向變形，從而達(dá)到角鋼兩端鉸接的軸心受壓狀態(tài)。考慮大變形和材料非線性，在角鋼構(gòu)件加載端節(jié)點(diǎn)施加沿角鋼軸向的壓力，若在程序窗口觀察到荷載下降，即認(rèn)為構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)破壞并終止分析，加載過程中得到的軸向荷載最大值即為構(gòu)件的軸心受壓穩(wěn)定承載力。銹蝕角鋼的有限元模型如圖1所示。

圖1 銹蝕角鋼的有限元模型

1.2 有限元模型的分類

為充分研究局部銹蝕角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力，本文對(duì)不同銹蝕率（銹蝕率分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%）、局部雙肢銹蝕和單肢銹蝕（銹蝕位置分別在SZ1—SZ5、DZ1—DZ5處，如圖2所示）、不同長(zhǎng)細(xì)比（長(zhǎng)細(xì)比分別為60、90、120）時(shí)角鋼的軸心受壓穩(wěn)定承載力進(jìn)行模擬計(jì)算。圖2中標(biāo)黑表示該位置發(fā)生銹蝕。

圖2 角鋼局部銹蝕及編號(hào)示意圖

2 有限元模擬結(jié)果分析

2.1 銹蝕角鋼變形結(jié)果

從有限元分析結(jié)果看，局部雙肢銹蝕、單肢銹蝕的所有角鋼構(gòu)件均發(fā)生整體彎曲失穩(wěn)。以銹蝕率為40%、長(zhǎng)細(xì)比為90、銹蝕位置在SZ4、DZ4處角鋼構(gòu)件的軸心受壓分析為例，變形結(jié)果如圖3所示。

圖3 銹蝕角鋼軸心受壓變形結(jié)果

2.2 銹蝕角鋼穩(wěn)定承載力

對(duì)1.2節(jié)中各種工況下的銹蝕角鋼進(jìn)行有限元模擬分析。為了更直觀展示銹蝕對(duì)角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律，規(guī)定銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)為銹蝕角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力與未銹蝕角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力的比值。銹蝕角鋼穩(wěn)定承載力有限元分析結(jié)果如表1所示。

表1 銹蝕角鋼穩(wěn)定承載力有限元分析結(jié)果

續(xù)表

續(xù)表

2.3 銹蝕位置對(duì)角鋼穩(wěn)定承載力的影響

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制角鋼構(gòu)件不同銹蝕率、不同長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)與銹蝕位置的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)-銹蝕位置曲線

由圖4可見，無論是局部雙肢銹蝕的角鋼還是單肢銹蝕的角鋼，隨著銹蝕位置由端部向跨中靠近，角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)曲線逐漸下降，說明銹蝕位置越靠近構(gòu)件中間，角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)越小，穩(wěn)定承載力降低越多，銹蝕位置距離構(gòu)件中間越近越不利。不同長(zhǎng)細(xì)比的角鋼構(gòu)件均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

除極個(gè)別工況數(shù)據(jù)，在相同銹蝕率、銹蝕位置的情況下，銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)表現(xiàn)為：長(zhǎng)細(xì)比120桿件＞長(zhǎng)細(xì)比90桿件＞長(zhǎng)細(xì)比60桿件。長(zhǎng)細(xì)比越大的桿件，其剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)越大，說明相同銹蝕情況下，較長(zhǎng)桿件穩(wěn)定承載力受銹蝕影響較小，較短桿件穩(wěn)定承載力受銹蝕影響較大。

相同長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，雙肢銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)曲線均在單肢銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)曲線之下，說明發(fā)生銹蝕面積較大的雙肢銹蝕時(shí)，角鋼剩余穩(wěn)定承載力較小，角鋼雙肢銹蝕較單肢銹蝕更不利。

銹蝕角鋼軸心受壓強(qiáng)度承載力可按銹蝕后角鋼剩余有效面積進(jìn)行計(jì)算。結(jié)合表1和圖4，以圖4（e）中SZ（50）-60和DZ（50）-60數(shù)據(jù)為例（其他數(shù)據(jù)規(guī)律一致），發(fā)現(xiàn)其受壓強(qiáng)度承載力損失分別為50%和25%，但是其受壓穩(wěn)定承載力損失分別為40.56%和22.18%，說明銹蝕對(duì)角鋼受壓強(qiáng)度承載力的影響大于對(duì)角鋼受壓穩(wěn)定承載力的影響。

2.4 銹蝕率對(duì)角鋼剩余穩(wěn)定承載力的影響

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制角鋼構(gòu)件在不同銹蝕位置、不同長(zhǎng)細(xì)比時(shí)，角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)與銹蝕率的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)-銹蝕率曲線

由圖5可見，銹蝕位置相同時(shí)，隨著角鋼構(gòu)件銹蝕率的逐漸增大，角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)逐漸下降，說明銹蝕率越大，角鋼穩(wěn)定承載力損失越大，不同長(zhǎng)細(xì)比的角鋼構(gòu)件均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。同時(shí)，由圖5可以看出，長(zhǎng)細(xì)比、銹蝕面積等對(duì)角鋼穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律與2.3節(jié)一致。

2.5 工程應(yīng)用實(shí)例

線路檢修人員發(fā)現(xiàn)角鋼塔主材銹蝕時(shí)，可結(jié)合該塔設(shè)計(jì)計(jì)算文件，對(duì)比原桿件的設(shè)計(jì)應(yīng)力比與銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)，以決定進(jìn)行加固、更換還是除銹防腐處理，判別標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）若銹蝕構(gòu)件剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)小于構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)力比，則認(rèn)為銹蝕后角鋼不能滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)對(duì)銹蝕角鋼構(gòu)件進(jìn)行加固或更換。

2）若銹蝕構(gòu)件剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)不小于構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)力比，則認(rèn)為銹蝕角鋼穩(wěn)定承載力滿足設(shè)計(jì)要求。由于銹蝕對(duì)角鋼受壓強(qiáng)度承載力的影響大于對(duì)穩(wěn)定承載力的影響，尚須比較銹蝕后構(gòu)件受壓強(qiáng)度承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果滿足，則可以對(duì)銹蝕角鋼進(jìn)行除銹防腐處理，無須加固或更換桿件；如果不滿足，則要對(duì)銹蝕角鋼構(gòu)件進(jìn)行加固或更換。

假設(shè)某110 kV線路巡檢中發(fā)現(xiàn)鐵塔塔身主材發(fā)生局部雙肢銹蝕，銹蝕位置位于桿件中間，長(zhǎng)度約為桿件長(zhǎng)度的1/9，銹蝕深度為3.8 mm，經(jīng)查工程設(shè)計(jì)文件，該桿件采用L125×10等邊熱軋角鋼，材質(zhì)為Q355，桿件長(zhǎng)細(xì)比為65，桿件為穩(wěn)定控制，設(shè)計(jì)應(yīng)力比為81.42%，現(xiàn)制定處理措施。

1）方案1。銹蝕深度3.8 mm換算成銹蝕率為38%，按照線性差值法估算銹蝕后桿件剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)，查詢表1得出。

由于71.60%＜81.42%，應(yīng)對(duì)該銹蝕桿件進(jìn)行加固或者更換。

2）方案2。應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)SZ5（0）-65和SZ5（38）-65桿件分別進(jìn)行建模計(jì)算，分析得到桿件SZ5（0）-65的軸心受壓穩(wěn)定承載力為632.34 kN，SZ5（38）-65的軸心受壓穩(wěn)定承載力為455.71 kN，得出銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)為72.07%。由于72.07%＜81.42%，應(yīng)對(duì)該桿件進(jìn)行加固或者更換。

方案1和方案2的分析結(jié)果一致，線性插值法計(jì)算的結(jié)果與有限元分析法計(jì)算的結(jié)果的誤差為0.65%，說明簡(jiǎn)單按照已有數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值計(jì)算是可行的。

3 結(jié)論

本文對(duì)局部銹蝕單角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力進(jìn)行了研究，分析了銹蝕位置、銹蝕率、構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比等因素對(duì)角鋼穩(wěn)定承載力的影響，主要得到以下結(jié)論：

1）銹蝕位置離構(gòu)件中間越近、銹蝕率越大，角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力越?。惠^長(zhǎng)角鋼構(gòu)件的剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)大于較短構(gòu)件，銹蝕對(duì)較短桿件的穩(wěn)定承載力影響更大；雙肢銹蝕角鋼穩(wěn)定承載力比單肢銹蝕要小，角鋼雙肢銹蝕更不利。

2）通過比較桿件設(shè)計(jì)應(yīng)力比與銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)的大小、銹蝕角鋼受壓強(qiáng)度承載力與壓力設(shè)計(jì)值的大小，合理選擇角鋼塔主材銹蝕的處理措施，為檢修人員提供了技術(shù)依據(jù)。

本文僅分析了一種常見局部銹蝕等邊角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力，后續(xù)將對(duì)其他規(guī)格角鋼的受壓穩(wěn)定承載力進(jìn)行計(jì)算分析，制成表格供運(yùn)維檢修人員使用。此外，由于角鋼構(gòu)件銹蝕具有多樣化，還要對(duì)其他銹蝕情況進(jìn)行細(xì)化研究。