銹蝕對輸電塔角鋼力學性能的影響

高 超,劉建軍,鄭逸川,吳佰建,儲昭杰

(1. 國網江蘇省電力有限公司，南京 210024； 2. 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院，南京 211103；3. 東南大學，南京 211189)

輸電塔一般采用角鋼型材制成，長期在戶外環境運行，銹蝕是輸電塔常見的破壞形式[1-4]，由銹蝕引起的塔材失效呈逐年上升趨勢[5]，造成了巨大的經濟損失[6-7]。我國在役輸電塔有不少是在20世紀50～80年代投入使用的，這些在役輸電塔大多已出現了一定程度的銹蝕現象，對輸電線路的運行造成了安全隱患[8]。目前，國內外對輸電塔銹蝕的研究主要集中在銹蝕化學機理[9-12]、銹蝕檢測[13]和預防性防護[14-17]等方面，對輸電塔銹蝕后力學性能變化的研究仍相對缺乏，缺少可用于評估銹蝕對鐵塔安全性影響的定量方法，從損傷力學角度對銹蝕鐵塔的破壞機理、安全評估方法與判定標準的研究也不夠充分[18-23]。

本工作在引入構件層次力學性能參數的基礎上，利用有限元方法，定量分析了4種常見銹蝕類型及銹蝕程度對輸電塔角鋼構件力學性能的影響，為輸電塔的科學運維提供了依據，也為進一步研究銹蝕對鐵塔體系安全性影響提供了定量方法。

1 角鋼銹蝕損傷表征

1.1 表征參數

角鋼發生銹蝕后會導致力學性能劣化，原因是銹蝕后其截面形貌發生改變，導致與截面積和截面慣性矩相關的拉壓剛度、彎曲剛度、強度、失穩壓力等力學性能指標發生改變。根據損傷力學定義表征銹蝕損傷的宏觀指標，定量評估銹蝕對角鋼構件力學性能影響。

1) 剩余拉壓剛度Rt：

(1)

2) 剩余彎曲剛度Rb：

(2)

3) 剩余強度Rs：

(3)

4) 剩余失穩壓力Rbu：

(4)

1.2 角鋼銹蝕的模型

根據在役輸電塔角鋼構件的銹蝕情況，對角鋼構件常見的幾種銹蝕類型建立了簡化物理模型，并進行了幾何表征，如表1所示。

1.3 角鋼銹蝕工況

輸電塔角鋼常用材料為碳素結構鋼，本工作選取常用的Q235鋼，取彈性模量E為200 GPa，泊松比μ為0.3，尺寸為1 000 mm×50 mm×50 mm×5mm(長×邊寬×邊寬×厚)。角鋼的具體銹蝕工況設計如表2所示，邊界條件設計如表3所示。

表1 輸電塔角鋼常見的銹蝕類型及物理模型Tab. 1 Corrosion types and physical models of angle steel for transmission tower

表2 角鋼銹蝕的設計工況Tab. 2 Design conditions of corrosion of angle steel mm

表3 角鋼銹蝕的邊界條件Tab. 3 Boundary conditions of corrosion of angle steel

2 結果與分析

2.1 孔狀銹蝕的影響

圖1為不同條件下孔狀銹蝕角鋼的力學性能。通過蝕孔直徑與角鋼邊寬的比值(以下稱蝕孔直徑比)表示蝕孔大小，研究其對孔狀銹蝕角鋼力學性能的影響。

由圖1(a)可知，當蝕孔的軸向位置(z軸)分別為125 mm和500 mm時，孔狀銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度與蝕孔大小的關系曲線呈相似規律，這說明蝕孔軸向位置對拉壓剛度的影響不大；蝕孔直徑比小于40%時，孔狀銹蝕角鋼的拉壓剛度幾乎沒有損失；蝕孔直徑比超過40%后，拉壓剛度快速下降，蝕孔直徑比達80%時，孔狀銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度只有30%。

由圖1(b)可知，當蝕孔的軸向位置為500 mm時，在純彎曲荷載下，蝕孔直徑比對角鋼彎曲剛度影響很小，不同蝕孔直徑比時，剩余彎曲剛度均高于0.9。這是因為孔狀銹蝕角鋼肢邊的上下邊緣為抵抗彎曲的主要部分，而孔狀銹蝕對此部分的削弱較小，所以孔狀銹蝕對彎曲剛度的影響不大。

(a) 剩余拉壓剛度 (b) 剩余彎曲剛度

(c) 剩余強度 (d) 剩余失穩壓力圖1 不同條件下孔狀銹蝕角鋼的力學性能Fig. 1 Mechanical properties of angle steel with porous corrosion under different conditions: (a) residual tensile and compressive stiffness; (b) residual bending stiffness; (c) residual strength; (d) residual buckling stress

由圖1(c)可知，當蝕孔的軸向位置為500 mm時，在單軸拉壓和純彎曲條件下，孔狀銹蝕角鋼的剩余強度均隨蝕孔直徑比的增大而下降；在單軸拉壓條件下，孔狀銹蝕角鋼的剩余強度都很小，即角鋼內的最大應力大，這表明即使發生很小尺度的孔狀銹蝕，角鋼內部的應力集中現象就已經很嚴重，隨著蝕孔逐漸增大，剩余強度小幅下降，下降速率較慢；而在純彎曲載荷下，當蝕孔很小時，剩余強度較大，當蝕孔直徑比為20%時，角鋼的剩余強度接近1，說明此時角鋼內部的最大應力與未發生孔狀銹蝕角鋼的接近，角鋼內部的集中現象不嚴重,但隨著蝕孔直徑比的增大，角鋼的剩余強度快速下降，表明角鋼內部的應力集中現象更加嚴重。

由圖1(d)可知，當蝕孔的軸向位置為500 mm時，在不同蝕孔直徑比下，孔狀銹蝕角鋼的剩余失穩壓力始終保持在1左右，這說明孔狀銹蝕對角鋼的失穩壓力影響很小。

2.2 全面銹蝕的影響

不同條件下全面銹蝕角鋼的力學性能如圖2所示。用全面銹蝕前后角鋼截面面積差與銹蝕前截面面積的比值(以下稱減薄比)表示角鋼銹蝕減薄程度，研究了在全面銹蝕情況下其對角鋼力學性能的影響。其中，全面銹蝕分單個肢邊銹蝕(單邊減薄)和兩個肢邊銹蝕(雙邊減薄)兩種情況分析。

由圖2(a)可知，隨著減薄比的增大，全面銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度逐漸線性減小，且發生雙邊減薄角鋼剩余拉壓剛度的下降速率明顯大于單邊減薄的。當減薄比為50%時，單邊減薄角鋼的剩余拉壓剛度約為0.7，而雙邊減薄角鋼的剩余拉壓剛度低于0.5。

由圖2(b)可知，在純彎曲載荷下，單邊減薄和雙邊減薄兩種情況下角鋼剩余彎曲剛度的下降趨勢相差不大，但減薄比相同時，彎曲剛度的損失比拉壓剛度的損失更大，這表明全面銹蝕對角鋼彎曲剛度的削弱更為嚴重。

(a) 剩余拉壓剛度 (b) 剩余彎曲剛度

(c) 剩余強度 (d) 剩余失穩壓力圖2 不同條件下全面銹蝕角鋼的力學性能Fig. 2 Mechanical properties of angle steel with general corrosion under different conditions: (a) residual tensile and compressive stiffness; (b) residual bending stiffness; (c) residual strength; (d) residual buckling stress

由圖2(c)可知，隨減薄比的增加，全面銹蝕角鋼的剩余強度基本呈線性下降趨勢，且在單邊減薄和雙邊減薄兩種情況下，降速相差不大。

由圖2(d)可知，在雙邊減薄情況下，全面銹蝕角鋼剩余失穩壓力的下降速率明顯大于單邊減薄情況下的，當減薄比超過70%，雙邊減薄角鋼的剩余失穩壓力快速減小到0.2以下，這說明當截面減小到一定程度時，剩余失穩壓力減小的速率明顯加快。

2.3 局部區域性銹蝕的影響

不同條件下局部區域性銹蝕角鋼的力學性能如圖3所示。其中，用銹蝕長度與角鋼長度的比值(以下稱銹蝕長度比)表示銹蝕長度，考察了局部區域性銹蝕的兩個變量(銹蝕長度和銹蝕深度)對角鋼力學性能的影響。

(a) 剩余拉壓剛度 (b) 剩余彎曲剛度

(c) 剩余強度 (d) 剩余失穩壓力圖3 不同條件下局部區域性銹蝕角鋼的力學性能Fig. 3 Mechanical properties of angle steel with regional corrosion under different conditions: (a) residual tensile and compressive stiffness; (b) residual bending stiffness; (c) residual strength; (d) residual buckling stress

由圖3(a)可知，在單軸拉壓下，隨著銹蝕長度比的增加，不同銹蝕深度角鋼的剩余拉壓剛度均逐漸減??；當銹蝕深度小于2.5 mm時，即使銹蝕長度比達40%時，其剩余拉壓剛度仍高于0.5，當銹蝕深度超過2.5 mm時，角鋼剩余拉壓剛度斷崖式下降，如銹蝕深度為3.0 mm和3.5 mm、銹蝕長度比為15%時，其剩余拉壓剛度均低于0.3。

由圖3(b)可知，純彎曲載荷下，隨銹蝕長度比和銹蝕深度的增加，角鋼的彎曲剛度均下降，但下降速率較單軸拉壓時更加平緩。此外還可以發現，角鋼剩余彎曲剛度與銹蝕長度比基本呈線性下降關系，當銹蝕深度達到3.5 mm，銹蝕長度比為50%時，剩余彎曲剛度仍有45%。

由圖3(c)可知，在單軸拉壓和純彎曲兩種工況下，銹蝕角鋼的剩余強度減小趨勢基本一致，即使銹蝕深度僅為0.5 mm時，其剩余強度已經降至0.4左右。

由圖3(d)可知，當銹蝕深度不超過3.5 mm時，曲線基本呈線性下降趨勢，且下降趨勢較為平緩，銹蝕長度比達65%時，其剩余失穩壓力均高于0.5；但當銹蝕深度達到4.0 mm時，其剩余失穩壓力出現驟降，銹蝕長度比為0.5%時，其剩余失穩壓力低于0.3。

2.4 邊緣銹蝕的影響

不同條件下邊緣銹蝕角鋼的力學性能如圖4所示?？紤]了肢邊邊緣銹蝕長度和銹蝕寬度兩個銹蝕變量對角鋼力學性能的影響，其中銹蝕長度同樣用銹蝕長度比表示。

由圖4(a)和圖4(b)可知，隨著銹蝕寬度的增加，邊緣銹蝕角鋼剩余拉壓剛度和剩余彎曲剛度都逐漸減小，當銹蝕寬度達20mm時，即使銹蝕長度比僅為15%，兩種剩余剛度的值都低于0.5；隨著銹蝕長度比的增加，兩種剩余剛度均呈下降趨勢，且下降速率逐漸減小。此外，在相同銹蝕寬度下，剩余彎曲剛度比剩余拉壓剛度低，這表明邊緣銹蝕對角鋼抗彎能力的削弱更為嚴重。

(a) 剩余拉壓剛度 (b) 剩余彎曲剛度

(c) 剩余強度 (d) 剩余失穩壓力圖4 不同條件下邊緣銹蝕角鋼的力學性能Fig. 4 Mechanical properties of angle steel with edge corrosion under different conditions: (a) residual tensile and compressive stiffness; (b) residual bending stiffness; (c) residual strength; (d) residual buckling stress

由圖4(c)可知，在單軸拉壓和純彎曲兩種工況下，銹蝕寬度的增大，邊緣銹蝕角鋼的剩余強度均呈線性下降；銹蝕寬度較小時，剩余強度就已經降至0.4以下，這表明角鋼內部的最大應力對邊緣銹蝕的寬度較敏感。

由圖4(d)可知，當銹蝕長度比小于30%時，不同銹蝕寬度下邊緣銹蝕角鋼的剩余失穩壓力相差不大，且剩余失穩壓力保持在0.6左右，幾乎不隨銹蝕長度比變化；當銹蝕長度比繼續增大時，不同銹蝕寬度下角鋼的剩余失穩壓力曲線呈現不同的下降趨勢，銹蝕寬度越大，其剩余失穩壓力下降得越快。

3 結論

(1) 孔狀銹蝕幾乎不會影響角鋼的剩余彎曲剛度和剩余失穩壓力；蝕孔大小是影響角鋼剩余拉壓剛度的主要因素，而蝕孔位置對角鋼剩余拉壓剛度影響不大；蝕孔一旦形成，無論大小，孔邊出現應力集中，使角鋼的剩余強度降低至原有值的30%左右。

(2) 隨減薄比的增大，全面銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度、剩余彎曲剛度、剩余強度和剩余失穩壓力均呈線性下降，當減薄比超過臨界值時，剩余失穩壓力會呈現加速下降趨勢；全面銹蝕角鋼彎曲剛度的損失程度大于拉壓剛度的損失程度。

(3) 局部區域性銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度、剩余彎曲剛度和剩余失穩壓力與銹蝕長度和深度近似成反比關系；銹蝕深度2.5mm即超過板厚的50%時，角鋼的剩余拉壓剛度驟降；局部區域性銹蝕產生的應力集中使角鋼的剩余強度降至原來的40%以下。

(4) 邊緣銹蝕角鋼的彎曲剛度損失大于拉壓剛度的損失；邊緣銹蝕所產生的應力集中也會使得角鋼的剩余強度降低至原來的40%以下；銹蝕長度比超過35%時，剩余失穩壓力明顯下降。