构件锈蚀对自立式塔架结构承载力影响分析

张鹏程，闵 杰，翁钱盈

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019）

构件锈蚀对自立式塔架结构承载力影响分析

张鹏程，闵 杰，翁钱盈

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019）

自立式塔架结构多用于通信和电力行业，其主要材质为钢材，结构处在露天环境中，构件锈蚀一直是影响结构耐久性的主要因素。所处环境类别不同，构件锈蚀程度也差别很大。针对单管塔和空间桁架塔在不同环境作用下构件的锈蚀情况，分析锈蚀后结构的承载能力，分析结果可见构件的锈蚀会导致杆体主材应力、塔顶位移、法兰螺栓及地脚螺栓应力增加，应力增长幅度与构件锈蚀程度成正比。

自立式塔架；构建锈蚀；应力；位移

钢材暴露在自然环境中，会与周围的环境介质相互作用，产生锈蚀现象。干湿交替、严寒、盐碱等环境会加快锈蚀速度。自立式塔架结构多用于通信和电力行业，按结构形式可分为单管塔和空间桁架塔。

由于结构维护难度较大，锈蚀问题一直以来都是影响行业发展的重要问题。在实际工程中，在构件产生锈蚀后，需对锈蚀程度进行检测评估，然后根据评估结果复核结构的安全性。

1 构件锈蚀对塔架结构产生的影响

钢构件的锈蚀会导致塔架结构构件承载能力的削弱，从而进一步影响整个结构的受力安全。塔架结构中钢构件的锈蚀主要分为以下几类。

1.1 主材壁厚的削弱

塔架结构主材因锈蚀导致钢管管壁厚度削弱。在对锈蚀部分进行处理后，不能按原构件规格进行计算，应按锈蚀后实际的截面规格进行复核。

1.2 螺栓有效直径的减小

螺栓锈蚀时，首先是螺纹遭到破坏，进而锈蚀螺栓的内径。在进行结构加固前，需由检测单位测得锈蚀后螺栓的有效直径，结构加固后的计算均应采用此有效直径进行计算。

1.3 钢材力学性能的下降

钢材在锈蚀后会导致其力学性能发生变化。史炜洲等人将无涂装和带涂装的构件放入腐蚀箱内，经过不同时长的腐蚀后进行钢材的材料性能试验，试验结果表明，随着腐蚀时间的增长，钢材的屈服强度、抗拉强度及延展性都会降低[1]。

2 单管塔在锈蚀情况下的承载力分析

以江苏某地区的40 m支架式通信塔为算例，对比分析主材锈蚀后此单管塔的承载能力。

计算参数：基本风压0.45 kN/m2，抗震设防烈度为8度，地面粗糙度类别为B类，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。

塔体由4段组成，连接方式为插接。段长从下至上分别为9 939 mm、10 203 mm、8 858 mm、11 000 mm，塔段壁厚从下至上分别为10 mm、8 mm、8 mm、6 mm。本次算例锈蚀程度按5%和10%2种情况考虑，锈蚀5%后的壁厚分别为9.5 mm、7.6 mm、7.6 mm、5.7 mm，锈蚀10%后的壁厚分别为9 mm、7.2 mm、7.2 mm、5.4 mm。

原塔体地脚螺栓为16M48，螺栓圆直径为1 260 mm，地脚螺栓锈蚀程度也按5%和10%考虑。对比分析锈蚀前后结构的各项性能。

2.1 管壁应力对比分析

挂载条件：在38.5 m、35 m、31 m及27.5 m位置，每处挂设3根天线，迎风面积为1.9 m2。

表1所示为各段管身应力。由表1可见，管壁锈蚀后，管壁应力增加，增幅与管壁锈蚀厚度成正比。

表1 各段管身应力

2.2 位移对比分析

锈蚀前，荷载标准组合下，塔顶位移值为1 065.69 mm，位移比为1/37.5；锈蚀5%后，塔顶位移为1 120.07 mm，位移比为1/35.7；锈蚀10%后，塔顶位移为1 180.5 mm，位移比为1/33.9.荷载标准组合下，锈蚀10%后塔顶位移增加5.10%，锈蚀10%后塔顶位移增加10.77%.由此可见，塔顶位移增加幅度也与管壁锈蚀程度成线性关系。

2.3 地脚螺栓对比分析

锈蚀前，地脚螺栓最大应力为171.7 MPa；锈蚀5%后，地脚螺栓有效直径削减成41.14 mm，螺栓最大应力增至190.3 MPa；锈蚀10%后，地脚螺栓有效直径削减成38.98 mm，螺栓最大应力增至212 MPa。

3 空间桁架塔在锈蚀情况下承载力分析

以江苏某40 m三管通信塔为算例，塔脚根开2 980 mm，塔体分为8段，主材截面为钢管，横材及斜材截面为角钢。塔段主材之间通过法兰连接。

计算参数：基本风压0.45 kN/m2，抗震设防烈度为8度，地面粗糙度类别为B类，设计使用年限为50年，结构安全等级为二级。

本次算例主材和螺栓锈蚀程度均按5%和10%两种情况考虑，对比分析锈蚀前后主材及螺栓的应力。

3.1 主材应力对比分析

各段主材应力情况如表2所示。

表2 各段主材应力

表3 塔段连接法兰螺栓应力

由表2可见，对于空间桁架塔，主材锈蚀后应力增加，增加幅度与主材锈蚀程度成正比。

3.2 塔段法兰螺栓应力对比分析

塔段连接法兰螺栓应力情况如表3所示。由表3可见，法兰螺栓的锈蚀会导致螺栓应力大幅增加。

3.3 地脚螺栓应力对比分析

锈蚀前，单个地脚螺栓应力为145.37 MPa；锈蚀5%后，单个地脚螺栓应力为153.02 MPa；锈蚀10%后，单个地脚螺栓应力增加至161.52 MPa。由此可见，空间桁架塔地脚螺栓锈蚀会导致地脚螺栓应力增加，增幅与锈蚀程度成线性关系。

4 结论

经总结，得出以下几点结论：①钢构件的锈蚀会导致构件截面规格削弱且会引起钢材力学性能下降，影响结构整体承载力。②对于单管塔，构件的锈蚀会导致杆体应力、塔顶位移及地脚螺栓应力增加，增加的幅度与锈蚀程度成线性关系。③对于空间桁架塔，构件的锈蚀会导致主材应力、塔段法兰螺栓应力及地脚螺栓应力增加，增加的幅度与锈蚀程度成线性关系。④因构件锈蚀还会导致钢材力学性能下降，应力比进一步增加。实际工程中，在进行承载力复核时需考虑此因素，做好安全储备。

［1］史炜洲，童乐为，陈以一，等.腐蚀对钢材和钢梁受力性能影响的试验研究［J］.建筑结构学报，2012，33（7）：53-60.

［2］刘新，时虎.钢结构防腐蚀和防火涂装［M］.北京：化学工业出版社，2005：20-79.

［3］张全成，吴建生，陈家光，等.近海大气中耐候钢和碳钢抗腐蚀性能的研究［J］.材料科学与工程，2001，19（2）：12-15.

［4］钟宏伟，徐善华，李军，等.锈蚀钢构件安全评定指标初探［J］.水利与建筑工程学报，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］张大厚.钢结构厂房的腐蚀与涂装防腐［J］.钢结构，1996，11（4）：20-24.

TU375

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.20.025

2095－6835（2017）20－0025－02

〔编辑：刘晓芳〕