局部銹蝕單角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力分析

譚曉哲，宋卓彥，金 瑤，張 鑫，趙 杰

（國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術研究院，山東 濟南 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構，在輸電線路工程中使用量大、應用范圍廣。角鋼塔長時間處于露天惡劣環(huán)境中運行，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、傷痕等缺陷，容易使鐵塔構件產(chǎn)生局部銹蝕［1］；浮土滑落、堆積掩埋鐵塔構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件，桿塔設計時按照兩端鉸接中心受力桿件計算，應重點關注銹蝕對其的影響。

鋼結構、桿塔結構設計相關規(guī)范僅規(guī)定了等截面軸心受壓等邊角鋼穩(wěn)定性的計算方法［2-3］，對局部銹蝕角鋼的軸心受壓穩(wěn)定承載力計算沒有具體規(guī)定。文獻［4］對均勻銹蝕角鋼抗壓承載力進行了試驗研究。文獻［5］采用實驗和有限元法對單邊連接銹蝕角鋼的穩(wěn)定承載力進行了研究。文獻［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)壓力與銹蝕長度比的關系，但未針對桿件長細比、局部銹蝕位置等進行分析。

由于缺少理論指導，線路檢修人員發(fā)現(xiàn)銹蝕的角鋼構件，進行加固、更換還是除銹防腐，難以作出判斷。若檢修人員判斷錯誤，對需更換桿件的桿塔進行簡單除銹防腐處理，將嚴重影響輸電線路的安全運行；如果盲目更換銹蝕構件，又會造成資源浪費，增加線路的運行成本。本文利用分析準確性高、成本低、速度快的ANSYS有限元分析軟件，對局部銹蝕單角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力進行研究，分析銹蝕位置、銹蝕率、長細比等對穩(wěn)定承載力的影響，提出了角鋼塔主材銹蝕時合理處置措施的判別方法，為檢修人員提供技術參考。

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殼單元模擬角鋼構件，SHELL181殼單元有4個節(jié)點，每個節(jié)點有6個自由度，分別為沿X，Y，Z方向的平動和繞X，Y，Z軸的轉動。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構。采用SHELL181殼單元可以較方便、準確地模擬單角鋼受壓構件，與實體單元相比，可減少計算量、提高計算效率。

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）進行分析，采用自底向上建模方法，先建立關鍵點，再由關鍵點生成線，然后通過線掃略成面。建模時采用理想彈塑性本構模型定義鋼材的應力應變關系，鋼材屈服強度取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，對角鋼端部截面節(jié)點建立約束方程，創(chuàng)建一個剛性區(qū)域。通過釋放角鋼兩端節(jié)點X，Y，Z軸的轉動自由度實現(xiàn)角鋼兩端鉸接，再釋放加載端節(jié)點的軸向位移自由度使角鋼能夠軸向變形，從而達到角鋼兩端鉸接的軸心受壓狀態(tài)?？紤]大變形和材料非線性，在角鋼構件加載端節(jié)點施加沿角鋼軸向的壓力，若在程序窗口觀察到荷載下降，即認為構件發(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）、不同長細比（長細比分別為60、90、120）時角鋼的軸心受壓穩(wěn)定承載力進行模擬計算。圖2中標黑表示該位置發(fā)生銹蝕。

圖2 角鋼局部銹蝕及編號示意圖

2 有限元模擬結果分析

2.1 銹蝕角鋼變形結果

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

圖3 銹蝕角鋼軸心受壓變形結果

2.2 銹蝕角鋼穩(wěn)定承載力

對1.2節(jié)中各種工況下的銹蝕角鋼進行有限元模擬分析。為了更直觀展示銹蝕對角鋼軸心受壓穩(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果如表1所示。

表1 銹蝕角鋼穩(wěn)定承載力有限元分析結果

續(xù)表

續(xù)表

2.3 銹蝕位置對角鋼穩(wěn)定承載力的影響

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制角鋼構件不同銹蝕率、不同長細比時，角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)與銹蝕位置的關系曲線，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，銹蝕位置距離構件中間越近越不利。不同長細比的角鋼構件均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

除極個別工況數(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：長細比120桿件＞長細比90桿件＞長細比60桿件。長細比越大的桿件，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。

相同長細比時，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，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度承載力可按銹蝕后角鋼剩余有效面積進行計算。結合表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%，說明銹蝕對角鋼受壓強度承載力的影響大于對角鋼受壓穩(wěn)定承載力的影響。

2.4 銹蝕率對角鋼剩余穩(wěn)定承載力的影響

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，繪制角鋼構件在不同銹蝕位置、不同長細比時，角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)與銹蝕率的關系曲線，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，隨著角鋼構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，不同長細比的角鋼構件均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。同時，由圖5可以看出，長細比、銹蝕面積等對角鋼穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律與2.3節(jié)一致。

2.5 工程應用實例

線路檢修人員發(fā)現(xiàn)角鋼塔主材銹蝕時，可結合該塔設計計算文件，對比原桿件的設計應力比與銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)，以決定進行加固、更換還是除銹防腐處理，判別標準如下：

1）若銹蝕構件剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)小于構件設計應力比，則認為銹蝕后角鋼不能滿足設計要求，應對銹蝕角鋼構件進行加固或更換。

2）若銹蝕構件剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)不小于構件設計應力比，則認為銹蝕角鋼穩(wěn)定承載力滿足設計要求。由于銹蝕對角鋼受壓強度承載力的影響大于對穩(wěn)定承載力的影響，尚須比較銹蝕后構件受壓強度承載力是否滿足設計要求，如果滿足，則可以對銹蝕角鋼進行除銹防腐處理，無須加固或更換桿件；如果不滿足，則要對銹蝕角鋼構件進行加固或更換。

假設某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，長度約為桿件長度的1/9，銹蝕深度為3.8 mm，經(jīng)查工程設計文件，該桿件采用L125×10等邊熱軋角鋼，材質為Q355，桿件長細比為65，桿件為穩(wěn)定控制，設計應力比為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%，應對該銹蝕桿件進行加固或者更換。

2）方案2。應用有限元分析軟件對SZ5（0）-65和SZ5（38）-65桿件分別進行建模計算，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%，應對該桿件進行加固或者更換。

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

3 結論

本文對局部銹蝕單角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力進行了研究，分析了銹蝕位置、銹蝕率、構件長細比等因素對角鋼穩(wěn)定承載力的影響，主要得到以下結論：

1）銹蝕位置離構件中間越近、銹蝕率越大，角鋼軸心受壓穩(wěn)定承載力越??；較長角鋼構件的剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)大于較短構件，銹蝕對較短桿件的穩(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）通過比較桿件設計應力比與銹蝕角鋼剩余穩(wěn)定承載力系數(shù)的大小、銹蝕角鋼受壓強度承載力與壓力設計值的大小，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)將對其他規(guī)格角鋼的受壓穩(wěn)定承載力進行計算分析，制成表格供運維檢修人員使用。此外，由于角鋼構件銹蝕具有多樣化，還要對其他銹蝕情況進行細化研究。