摘 要：角鋼是輸電鐵塔的重要受力構(gòu)件，受環(huán)境因素影響，角鋼可能會出現(xiàn)不同程度的銹蝕，嚴重時會有結(jié)構(gòu)安全風險。為了建立均勻銹蝕角鋼構(gòu)件的蝕余承載力評估方法，本文通過中性鹽霧腐蝕試驗，確定了勻銹蝕角鋼構(gòu)件的量化特征，分別為銹蝕率和最大殘余率。并以量化特征為基礎(chǔ)，利用有限元分析法模擬不同銹蝕程度角鋼的最大承載力，再計算出承載力折減率。最后擬合出銹蝕率、最大殘余率和承載力折減率間的數(shù)學關(guān)系。研究結(jié)果顯示，此次建立的擬合函數(shù)精度較高，可用于預測均勻銹蝕角鋼的蝕余承載力，從而指導工程活動。

關(guān)鍵詞：輸電鐵塔；均勻銹蝕角鋼構(gòu)件；銹蝕率；最大殘余率；蝕余承載力評估

中圖分類號：TM 75" " " " 文獻標志碼：A

輸電鐵塔的角鋼銹蝕后會出現(xiàn)厚度減薄、承載力下降問題，在日常維修工作中需要建立明確的更換標準，及時消除安全隱患。本文主要針對均勻銹蝕的結(jié)構(gòu)件，設(shè)置2個可測量的量化指標，將承載力折減率作為蝕余承載力的評價依據(jù)，采用數(shù)值模擬和數(shù)學擬合的方式建立了承載力折減率和可測量指標的擬合函數(shù)。以該函數(shù)為依據(jù)，運維人員可根據(jù)銹蝕率和最大殘余率的測量結(jié)果預測出角鋼的蝕余承載力，判斷是否需要更換銹蝕的角鋼構(gòu)件。該評估方法具有一定的工程應用價值。

1 輸電鐵塔角鋼銹蝕情況現(xiàn)場調(diào)查

西藏地區(qū)某500kV高壓輸電線路，平均海拔超4000m。該輸電工程沿線地理環(huán)境較復雜，包括戈壁、沼澤和山脈等地質(zhì)條件，氣候特點為晝夜溫差大、風力強，部分塔基處于高水位、強銹蝕區(qū)段。線路投運時間超過8年。對其角鋼構(gòu)件的銹蝕情況進行現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)多種銹蝕類型，例如橫擔隔材銹蝕、塔腳銹蝕和塔身結(jié)構(gòu)件均勻銹蝕等。角鋼是輸電鐵塔的重要受力構(gòu)件，其主要材質(zhì)為Q235、Q345，以熱軋角鋼為主。當角鋼出現(xiàn)均勻性銹蝕后，其抗拉強度、抗壓強度會有所下降，進而影響承載力。為保障輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)安全，需要評估角鋼的蝕余承載力。

2 均勻銹蝕角鋼構(gòu)件蝕余承載力評估方法

2.1 角鋼均勻銹蝕特征構(gòu)建

輸電鐵塔角鋼銹蝕分為均勻銹蝕和非均勻銹蝕，進行蝕余承載力評估前，需要明確均勻銹蝕的特征，從而建立準確的有限元模型。

2.1.1 均勻銹蝕角鋼外觀特征

輸電鐵塔角鋼構(gòu)件均勻銹蝕是指其表面的銹蝕程度較一致，銹蝕層的厚度較均勻，均勻銹蝕角鋼和未銹蝕角鋼對比如圖1所示。進一步分析均勻銹蝕角鋼的特點，可繪制如圖2所示的結(jié)構(gòu)示意圖。假設(shè)未銹蝕角鋼構(gòu)件的原始厚度為T0，受環(huán)境因素影響，其表面逐步銹蝕[1]。在實際情況下，角鋼表面各個部位的銹蝕程度存在一定差異，因此將其表面銹蝕部位分為均勻銹蝕區(qū)和非均勻銹蝕區(qū)。對于均勻銹蝕角鋼，其銹蝕厚度僅考慮均勻銹蝕區(qū)的影響，非均勻銹蝕區(qū)和未銹蝕部分的最大厚度之和稱為最大殘余厚度，記為T。

2.1.2 均勻銹蝕角鋼的量化特征

2.1.2.1 銹蝕率及其測定方法

銹蝕率用于表征角鋼的銹蝕程度，其計算方法為角鋼銹蝕前、后的質(zhì)量損失比。將角鋼銹蝕前的初始質(zhì)量記為m0。銹蝕之后，采用酸洗方式去除銹蝕的金屬材料，稱取剩余部分的質(zhì)量，記為m。則銹蝕率的η的計算方法為η=（m0-m）/m0×100%。

本文制作了相同規(guī)格的鋼材試件，其材質(zhì)均為Q235，與輸電鐵塔角鋼材質(zhì)保持一致。對試件進行打磨，去除表面的銹蝕，稱取每個試件的初始質(zhì)量。進而對試件進行中性鹽溶液（由NaCl配置而成）腐蝕試驗，試驗環(huán)境保持一致。在具體實施過程中，每隔6h向所有試件均勻噴灑中性鹽溶液，形成干濕交替的腐蝕環(huán)境[2]。試驗過程持續(xù)90d，分別在第30d、50d、70d和90d對試件進行酸洗，酸洗溶液為10%濃度的HCl。待試件表面完全露出金屬光澤后，將其擦拭干凈，干燥后稱取剩余未銹蝕部分的質(zhì)量。試件銹蝕率檢測結(jié)果見表1。由表1數(shù)據(jù)可知，隨著銹蝕時間延長，銹蝕率呈上升趨勢。當數(shù)據(jù)量足夠多時，可利用軟件工具擬合出均勻銹蝕時長與銹蝕率的數(shù)學關(guān)系。

表1 Q235鋼片銹蝕率測定結(jié)果

試件編號 初始質(zhì)量m0/g 銹蝕時長/d 殘余質(zhì)量m/g 銹蝕率η/%

A 178.02 30 170.58 4.18

50 164.03 7.86

70 161.30 9.39

90 158.32 11.07

B 177.07 30 167.99 5.13

50 164.96 6.84

70 162.25 8.37

90 157.79 10.89

2.1.2.2 最大殘余率及其測定方法

將均勻腐蝕構(gòu)件的最大殘余率記為ζ，則計算方法為ζ=T/T0×100%。顯然，測定最大殘余率的關(guān)鍵是準確檢測出原始厚度T0和最大殘余厚度T。以圖1中的試件為例。當檢測T和T0時，在試件表面等距離地設(shè)置5條測線。銹蝕試驗開始前，利用游標卡尺檢測5條測線處的厚度值，將平均值作為T0。銹蝕試驗結(jié)束后，利用稀鹽酸溶液去除銹蝕的金屬材料，使非均勻銹蝕層徹底暴露出來。同樣在其表面設(shè)置5條測線，并選取非均勻腐蝕層中的高峰，利用游標卡尺測量厚度值，再求平均值，作為T[3]。Q235鋼片最大殘余率測定結(jié)果見表2。由表2數(shù)據(jù)可知，隨著銹蝕時間延長，最大殘余率ζ呈增長趨勢，與銹蝕率的檢測結(jié)果具有一致性。

表2 Q235鋼片最大殘余率測定結(jié)果

試件編號 初始厚度T0/mm 銹蝕時長/d 最大殘余厚度T/mm 最大殘余率ζ/%

A 5.442 30 5.432 99.82

50 5.366 98.60

70 5.311 97.59

90 5.251 96.49

B 5.438 30 5.422 99.71

50 5.354 98.46

70 5.326 97.94

90 5.229 96.16

2.2 基于均勻銹蝕角鋼量化特征的蝕余承載力有限元分析

2.2.1 基于均勻銹蝕角鋼量化特征的有限元建模

確定均勻銹蝕角鋼的量化特征后，根據(jù)相關(guān)特征，建立均勻銹蝕角鋼的有限元模型，并利用有限元模擬確定不同量化特征對應的角鋼構(gòu)件的最大受壓承載力。本文應用ABAQUS軟件建立相關(guān)模型，建模過程如下所示。1） 選擇構(gòu)件單元。輸電鐵塔的角鋼為實心金屬構(gòu)件，在建立網(wǎng)格模型過程中，將網(wǎng)格單元設(shè)置為ABAQUS軟件中的C3D8R三維實體單元。2） 設(shè)置材料屬性。該高壓輸電線路的鐵塔采用Q235材質(zhì)的角鋼，有限元軟件中對應的模型為彈性強化二折線材料模型。將材料的彈性模量設(shè)置為206GPa，其泊松比按照0.3進行取值。Q235鋼材的屈服強度為235MPa。設(shè)置角鋼構(gòu)件參數(shù)。當角鋼構(gòu)件發(fā)生均勻銹蝕后，其鋼肢的有效厚度為最大殘余厚度，并且該參數(shù)小于角鋼鋼肢的初始厚度，導致其承載力下降[4]。因此，在建模過程中應區(qū)分不同銹蝕率和最大殘余厚度，設(shè)置相應條件下的彈性模量和屈服模量。角鋼構(gòu)件模型參數(shù)見表3。隨著銹蝕率增加和鋼肢最大殘余厚度降低，角鋼構(gòu)件的彈性模型和屈服強度不斷下降。

表3 角鋼構(gòu)件模型參數(shù)取值

銹蝕率η/% 鋼肢最大殘余厚度/mm 彈性模量/GPa 屈服強度/MPa

0 10.00 206.00 235.00

2 9.99 207.84 225.08

4 9.98 209.68 217.21

6 9.94 211.52 210.97

8 9.84 213.36 210.97

10 9.57 215.20 202.09

12 8.84 217.05 198.98

2.2.2 基于屈曲分析的均勻銹蝕角鋼最大承受力有限元模擬

2.2.2.1 模擬結(jié)果

屈曲分析是指構(gòu)件受到特定載荷作用后，其結(jié)構(gòu)逐漸失穩(wěn)，可利用有限元軟件生成構(gòu)件的載荷-位移曲線，再根據(jù)該曲線確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的臨界載荷。顯然，該臨界載荷反映了均勻銹蝕角鋼能夠承受的最大載荷，即構(gòu)件的最大承受力。當銹蝕率分別為0%、2%、4%、6%、8%、10%和12%時，載荷-位移曲線模擬結(jié)果如圖3所示。

2.2.2.2 數(shù)據(jù)分析

在圖3中，各條模擬曲線基本可分為直線段和弧線段，前者屬于線性特征屈曲，后者屬于非線性屈曲，直線段和弧線段交匯點對應的載荷即為均勻銹蝕角鋼構(gòu)件的最大承受力。從模擬數(shù)據(jù)可知，按照銹蝕率由高到低，構(gòu)件能夠承受的最大承受力分別為328.6kN、325.5kN、322.2kN、321.1kN、320.2kN、315.3kN和296.1kN。

2.2.3 蝕余承載力評估成果

2.2.3.1 計算承載力折減率

在第2.3.2小節(jié)中，本文利用有限元軟件模擬出不同銹蝕率和最大殘余厚度對應的均勻銹蝕角鋼最大承受力。當銹蝕率為0%時，對應的最大殘余厚度即為角鋼鋼肢的初始厚度T0，此時角鋼的承受力最大，為328.6kN。將該數(shù)值作為基準值，求出其他銹蝕率對應的承載力折減率，計算結(jié)果見表4。由表4數(shù)據(jù)可知，隨著銹蝕增加和最大殘余率下降，承載力折減系數(shù)呈上升趨勢，符合理論預期。

表4 不同條件下均勻銹蝕角鋼的承載力折減率計算結(jié)果

銹蝕率η/% 最大殘余率ζ/% 最大承載力P/kN 承載力折減率σ/%

0 100 328.6 0

2 99.9 325.5 0.94

4 99.8 322.2 1.92

6 99.4 321.1 2.29

8 98.4 320.2 2.55

10 95.7 315.3 4.05

12 88.4 296.1 9.90

2.2.3.2 基于銹蝕率和最大殘余率擬合承載力折減率變化函數(shù)

在工程應用中，需要根據(jù)角鋼銹蝕率和最大殘余率判斷承載力的折減情況。當折減率達到一定閾值時，可認為角鋼構(gòu)件的承載力不滿足安全要求，需要進行補強或者更換[5]。因此，根據(jù)表4數(shù)據(jù)擬合出銹蝕率、最大殘余率和承載力折減率間的數(shù)學關(guān)系。

將均勻銹蝕角鋼的銹蝕率作為變量，承載力折減率作為因變量，根據(jù)有限元分析數(shù)據(jù)，利用指數(shù)衰減函數(shù)擬合二者間的數(shù)學關(guān)系，如公式（1）所示。

（1）

將均勻銹蝕角鋼的最大殘余率作為變量，承載力折減率作為因變量，根據(jù)有限元分析數(shù)據(jù)，利用冪函數(shù)擬合二者間的數(shù)學關(guān)系，如公式（2）所示。

（2）

式中：R2為擬合系數(shù)。

R2反映了數(shù)學模型對實際情況的擬合程度，其計算結(jié)果總是在0～1，越接近1，表明擬合精度越高[6]。銹蝕率和承載力折減系數(shù)擬合函數(shù)的擬合系數(shù)為0.9632，效果略差。當利用最大殘余率擬合承載力折減率時，擬合系數(shù)為0.9999，精度更高。因此，在工程實踐中，可根據(jù)輸電鐵塔均勻銹蝕角鋼的最大殘余率，擬合出承載力折減系數(shù)的數(shù)學計算公式，進而判斷角鋼構(gòu)件的安全性（見表5）。

在表5中，根據(jù)承載力折減率，對角鋼構(gòu)件的實際工程影響進行評估，按照從無明顯折減到極端折減的不同級別，使用冪函數(shù)來擬合最大殘余率與承載力折減率間的關(guān)系。根據(jù)擬合系數(shù)判斷冪函數(shù)模型對實際數(shù)據(jù)的擬合程度，該系數(shù)接近1，表明模型與實際情況吻合度高。上述數(shù)據(jù)有助于工作人員在實際應用中根據(jù)角鋼的最大殘余率來預測承載力的折減情況，并及時采取必要的維護和修復措施，保障輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)安全。

表5 輸電鐵塔均勻銹蝕角鋼的

最大殘余率擬合承載力折減系數(shù)示例

最大殘余率/% 承載力折減率/% 工程應用評估 擬合公式 擬合系數(shù)R2

0 0 無明顯折減 冪函數(shù) 0.9999

5 1.2 微弱折減 冪函數(shù) 0.9999

10 2.5 輕度折減 冪函數(shù) 0.9999

15 4.1 中度折減 冪函數(shù) 0.9999

20 6.0 顯著折減 冪函數(shù) 0.9999

25 8.2 嚴重折減 冪函數(shù) 0.9999

30 10.7 極端折減 冪函數(shù) 0.9999

3 結(jié)語

本文針對輸電鐵塔角鋼構(gòu)件均勻腐蝕導致承載力下降的問題，提出了一套完整的蝕余承載力評估方法，可用于判斷角鋼的腐蝕程度，并決定是否需要更換。根據(jù)研究內(nèi)容，可得出以下5個基本結(jié)論。1） 均勻銹蝕角鋼構(gòu)件可分為均勻銹蝕區(qū)、非均勻銹蝕區(qū)和未銹蝕區(qū)3個部分，其量化特征包括2個，即銹蝕率和最大殘余率。銹蝕率為損失的質(zhì)量與原構(gòu)件質(zhì)量之比，最大殘余率為最大殘余厚度和初始厚度的比值。2） 在確定均勻銹蝕角鋼的量化特征后，建立相應的有限元模型，以不同銹蝕率和最大殘余率為條件，通過屈曲分析，模擬出不同條件下的構(gòu)件最大承載力。3） 在銹蝕情況下，將最大承載力和未銹蝕構(gòu)件最大承載力的比值稱為承載力折減率。承載力折減率越大，表示構(gòu)件的工程可靠性越低。4） 獲得銹蝕率、最大殘余率和對應的承載力折減率后，采用數(shù)學方法擬合出銹蝕率、承載力折減率與最大殘余率、承載力折減率的數(shù)學關(guān)系。結(jié)果顯示，其擬合系數(shù)均較高，基于最大殘余率的擬合效果更優(yōu)。5） 擬合函數(shù)可作為經(jīng)驗公式測定構(gòu)件的最大殘余率，可計算出銹蝕角鋼構(gòu)件的承載力折減情況。超過閾值，需要更換；未超過閾值，進行補強即可。

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