構(gòu)件銹蝕對自立式塔架結(jié)構(gòu)承載力影響分析

張鵬程，閔 杰，翁錢盈

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019）

構(gòu)件銹蝕對自立式塔架結(jié)構(gòu)承載力影響分析

張鵬程，閔 杰，翁錢盈

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019）

自立式塔架結(jié)構(gòu)多用于通信和電力行業(yè)，其主要材質(zhì)為鋼材，結(jié)構(gòu)處在露天環(huán)境中，構(gòu)件銹蝕一直是影響結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。所處環(huán)境類別不同，構(gòu)件銹蝕程度也差別很大。針對單管塔和空間桁架塔在不同環(huán)境作用下構(gòu)件的銹蝕情況，分析銹蝕后結(jié)構(gòu)的承載能力，分析結(jié)果可見構(gòu)件的銹蝕會導(dǎo)致桿體主材應(yīng)力、塔頂位移、法蘭螺栓及地腳螺栓應(yīng)力增加，應(yīng)力增長幅度與構(gòu)件銹蝕程度成正比。

自立式塔架；構(gòu)建銹蝕；應(yīng)力；位移

鋼材暴露在自然環(huán)境中，會與周圍的環(huán)境介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。干濕交替、嚴寒、鹽堿等環(huán)境會加快銹蝕速度。自立式塔架結(jié)構(gòu)多用于通信和電力行業(yè)，按結(jié)構(gòu)形式可分為單管塔和空間桁架塔。

由于結(jié)構(gòu)維護難度較大，銹蝕問題一直以來都是影響行業(yè)發(fā)展的重要問題。在實際工程中，在構(gòu)件產(chǎn)生銹蝕后，需對銹蝕程度進行檢測評估，然后根據(jù)評估結(jié)果復(fù)核結(jié)構(gòu)的安全性。

1 構(gòu)件銹蝕對塔架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響

鋼構(gòu)件的銹蝕會導(dǎo)致塔架結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的削弱，從而進一步影響整個結(jié)構(gòu)的受力安全。塔架結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件的銹蝕主要分為以下幾類。

1.1 主材壁厚的削弱

塔架結(jié)構(gòu)主材因銹蝕導(dǎo)致鋼管管壁厚度削弱。在對銹蝕部分進行處理后，不能按原構(gòu)件規(guī)格進行計算，應(yīng)按銹蝕后實際的截面規(guī)格進行復(fù)核。

1.2 螺栓有效直徑的減小

螺栓銹蝕時，首先是螺紋遭到破壞，進而銹蝕螺栓的內(nèi)徑。在進行結(jié)構(gòu)加固前，需由檢測單位測得銹蝕后螺栓的有效直徑，結(jié)構(gòu)加固后的計算均應(yīng)采用此有效直徑進行計算。

1.3 鋼材力學(xué)性能的下降

鋼材在銹蝕后會導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生變化。史煒洲等人將無涂裝和帶涂裝的構(gòu)件放入腐蝕箱內(nèi)，經(jīng)過不同時長的腐蝕后進行鋼材的材料性能試驗，試驗結(jié)果表明，隨著腐蝕時間的增長，鋼材的屈服強度、抗拉強度及延展性都會降低[1]。

2 單管塔在銹蝕情況下的承載力分析

以江蘇某地區(qū)的40 m支架式通信塔為算例，對比分析主材銹蝕后此單管塔的承載能力。

計算參數(shù)：基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，抗震設(shè)防烈度為8度，地面粗糙度類別為B類，設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

塔體由4段組成，連接方式為插接。段長從下至上分別為9 939 mm、10 203 mm、8 858 mm、11 000 mm，塔段壁厚從下至上分別為10 mm、8 mm、8 mm、6 mm。本次算例銹蝕程度按5%和10%2種情況考慮，銹蝕5%后的壁厚分別為9.5 mm、7.6 mm、7.6 mm、5.7 mm，銹蝕10%后的壁厚分別為9 mm、7.2 mm、7.2 mm、5.4 mm。

原塔體地腳螺栓為16M48，螺栓圓直徑為1 260 mm，地腳螺栓銹蝕程度也按5%和10%考慮。對比分析銹蝕前后結(jié)構(gòu)的各項性能。

2.1 管壁應(yīng)力對比分析

掛載條件：在38.5 m、35 m、31 m及27.5 m位置，每處掛設(shè)3根天線，迎風(fēng)面積為1.9 m2。

表1所示為各段管身應(yīng)力。由表1可見，管壁銹蝕后，管壁應(yīng)力增加，增幅與管壁銹蝕厚度成正比。

表1 各段管身應(yīng)力

2.2 位移對比分析

銹蝕前，荷載標準組合下，塔頂位移值為1 065.69 mm，位移比為1/37.5；銹蝕5%后，塔頂位移為1 120.07 mm，位移比為1/35.7；銹蝕10%后，塔頂位移為1 180.5 mm，位移比為1/33.9.荷載標準組合下，銹蝕10%后塔頂位移增加5.10%，銹蝕10%后塔頂位移增加10.77%.由此可見，塔頂位移增加幅度也與管壁銹蝕程度成線性關(guān)系。

2.3 地腳螺栓對比分析

銹蝕前，地腳螺栓最大應(yīng)力為171.7 MPa；銹蝕5%后，地腳螺栓有效直徑削減成41.14 mm，螺栓最大應(yīng)力增至190.3 MPa；銹蝕10%后，地腳螺栓有效直徑削減成38.98 mm，螺栓最大應(yīng)力增至212 MPa。

3 空間桁架塔在銹蝕情況下承載力分析

以江蘇某40 m三管通信塔為算例，塔腳根開2 980 mm，塔體分為8段，主材截面為鋼管，橫材及斜材截面為角鋼。塔段主材之間通過法蘭連接。

計算參數(shù)：基本風(fēng)壓0.45 kN/m2，抗震設(shè)防烈度為8度，地面粗糙度類別為B類，設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

本次算例主材和螺栓銹蝕程度均按5%和10%兩種情況考慮，對比分析銹蝕前后主材及螺栓的應(yīng)力。

3.1 主材應(yīng)力對比分析

各段主材應(yīng)力情況如表2所示。

表2 各段主材應(yīng)力

表3 塔段連接法蘭螺栓應(yīng)力

由表2可見，對于空間桁架塔，主材銹蝕后應(yīng)力增加，增加幅度與主材銹蝕程度成正比。

3.2 塔段法蘭螺栓應(yīng)力對比分析

塔段連接法蘭螺栓應(yīng)力情況如表3所示。由表3可見，法蘭螺栓的銹蝕會導(dǎo)致螺栓應(yīng)力大幅增加。

3.3 地腳螺栓應(yīng)力對比分析

銹蝕前，單個地腳螺栓應(yīng)力為145.37 MPa；銹蝕5%后，單個地腳螺栓應(yīng)力為153.02 MPa；銹蝕10%后，單個地腳螺栓應(yīng)力增加至161.52 MPa。由此可見，空間桁架塔地腳螺栓銹蝕會導(dǎo)致地腳螺栓應(yīng)力增加，增幅與銹蝕程度成線性關(guān)系。

4 結(jié)論

經(jīng)總結(jié)，得出以下幾點結(jié)論：①鋼構(gòu)件的銹蝕會導(dǎo)致構(gòu)件截面規(guī)格削弱且會引起鋼材力學(xué)性能下降，影響結(jié)構(gòu)整體承載力。②對于單管塔，構(gòu)件的銹蝕會導(dǎo)致桿體應(yīng)力、塔頂位移及地腳螺栓應(yīng)力增加，增加的幅度與銹蝕程度成線性關(guān)系。③對于空間桁架塔，構(gòu)件的銹蝕會導(dǎo)致主材應(yīng)力、塔段法蘭螺栓應(yīng)力及地腳螺栓應(yīng)力增加，增加的幅度與銹蝕程度成線性關(guān)系。④因構(gòu)件銹蝕還會導(dǎo)致鋼材力學(xué)性能下降，應(yīng)力比進一步增加。實際工程中，在進行承載力復(fù)核時需考慮此因素，做好安全儲備。

［1］史煒洲，童樂為，陳以一，等.腐蝕對鋼材和鋼梁受力性能影響的試驗研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2012，33（7）：53-60.

［2］劉新，時虎.鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕和防火涂裝［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：20-79.

［3］張全成，吳建生，陳家光，等.近海大氣中耐候鋼和碳鋼抗腐蝕性能的研究［J］.材料科學(xué)與工程，2001，19（2）：12-15.

［4］鐘宏偉，徐善華，李軍，等.銹蝕鋼構(gòu)件安全評定指標初探［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2010，8（2）：6-8.

［5］Hansen E J，Saouma V E.Numerical simulation of reinforced concrete deterioration：Part II-Steel corrosion and concrete cracking.Aci Materials Journal，1999，96（3）：331-338.

［6］張大厚.鋼結(jié)構(gòu)廠房的腐蝕與涂裝防腐［J］.鋼結(jié)構(gòu)，1996，11（4）：20-24.

TU375

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.025

2095－6835（2017）20－0025－02

〔編輯：劉曉芳〕