锈蚀对输电塔角钢力学性能的影响

高 超,刘建军,郑逸川,吴佰建,储昭杰

(1. 国网江苏省电力有限公司，南京 210024； 2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京 211103；3. 东南大学，南京 211189)

输电塔一般采用角钢型材制成，长期在户外环境运行，锈蚀是输电塔常见的破坏形式[1-4]，由锈蚀引起的塔材失效呈逐年上升趋势[5]，造成了巨大的经济损失[6-7]。我国在役输电塔有不少是在20世纪50～80年代投入使用的，这些在役输电塔大多已出现了一定程度的锈蚀现象，对输电线路的运行造成了安全隐患[8]。目前，国内外对输电塔锈蚀的研究主要集中在锈蚀化学机理[9-12]、锈蚀检测[13]和预防性防护[14-17]等方面，对输电塔锈蚀后力学性能变化的研究仍相对缺乏，缺少可用于评估锈蚀对铁塔安全性影响的定量方法，从损伤力学角度对锈蚀铁塔的破坏机理、安全评估方法与判定标准的研究也不够充分[18-23]。

本工作在引入构件层次力学性能参数的基础上，利用有限元方法，定量分析了4种常见锈蚀类型及锈蚀程度对输电塔角钢构件力学性能的影响，为输电塔的科学运维提供了依据，也为进一步研究锈蚀对铁塔体系安全性影响提供了定量方法。

1 角钢锈蚀损伤表征

1.1 表征参数

角钢发生锈蚀后会导致力学性能劣化，原因是锈蚀后其截面形貌发生改变，导致与截面积和截面惯性矩相关的拉压刚度、弯曲刚度、强度、失稳压力等力学性能指标发生改变。根据损伤力学定义表征锈蚀损伤的宏观指标，定量评估锈蚀对角钢构件力学性能影响。

1) 剩余拉压刚度Rt：

(1)

2) 剩余弯曲刚度Rb：

(2)

3) 剩余强度Rs：

(3)

4) 剩余失稳压力Rbu：

(4)

1.2 角钢锈蚀的模型

根据在役输电塔角钢构件的锈蚀情况，对角钢构件常见的几种锈蚀类型建立了简化物理模型，并进行了几何表征，如表1所示。

1.3 角钢锈蚀工况

输电塔角钢常用材料为碳素结构钢，本工作选取常用的Q235钢，取弹性模量E为200 GPa，泊松比μ为0.3，尺寸为1 000 mm×50 mm×50 mm×5mm(长×边宽×边宽×厚)。角钢的具体锈蚀工况设计如表2所示，边界条件设计如表3所示。

表1 输电塔角钢常见的锈蚀类型及物理模型Tab. 1 Corrosion types and physical models of angle steel for transmission tower

表2 角钢锈蚀的设计工况Tab. 2 Design conditions of corrosion of angle steel mm

表3 角钢锈蚀的边界条件Tab. 3 Boundary conditions of corrosion of angle steel

2 结果与分析

2.1 孔状锈蚀的影响

图1为不同条件下孔状锈蚀角钢的力学性能。通过蚀孔直径与角钢边宽的比值(以下称蚀孔直径比)表示蚀孔大小，研究其对孔状锈蚀角钢力学性能的影响。

由图1(a)可知，当蚀孔的轴向位置(z轴)分别为125 mm和500 mm时，孔状锈蚀角钢的剩余拉压刚度与蚀孔大小的关系曲线呈相似规律，这说明蚀孔轴向位置对拉压刚度的影响不大；蚀孔直径比小于40%时，孔状锈蚀角钢的拉压刚度几乎没有损失；蚀孔直径比超过40%后，拉压刚度快速下降，蚀孔直径比达80%时，孔状锈蚀角钢的剩余拉压刚度只有30%。

由图1(b)可知，当蚀孔的轴向位置为500 mm时，在纯弯曲荷载下，蚀孔直径比对角钢弯曲刚度影响很小，不同蚀孔直径比时，剩余弯曲刚度均高于0.9。这是因为孔状锈蚀角钢肢边的上下边缘为抵抗弯曲的主要部分，而孔状锈蚀对此部分的削弱较小，所以孔状锈蚀对弯曲刚度的影响不大。

(a) 剩余拉压刚度 (b) 剩余弯曲刚度

(c) 剩余强度 (d) 剩余失稳压力图1 不同条件下孔状锈蚀角钢的力学性能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

由图1(c)可知，当蚀孔的轴向位置为500 mm时，在单轴拉压和纯弯曲条件下，孔状锈蚀角钢的剩余强度均随蚀孔直径比的增大而下降；在单轴拉压条件下，孔状锈蚀角钢的剩余强度都很小，即角钢内的最大应力大，这表明即使发生很小尺度的孔状锈蚀，角钢内部的应力集中现象就已经很严重，随着蚀孔逐渐增大，剩余强度小幅下降，下降速率较慢；而在纯弯曲载荷下，当蚀孔很小时，剩余强度较大，当蚀孔直径比为20%时，角钢的剩余强度接近1，说明此时角钢内部的最大应力与未发生孔状锈蚀角钢的接近，角钢内部的集中现象不严重,但随着蚀孔直径比的增大，角钢的剩余强度快速下降，表明角钢内部的应力集中现象更加严重。

由图1(d)可知，当蚀孔的轴向位置为500 mm时，在不同蚀孔直径比下，孔状锈蚀角钢的剩余失稳压力始终保持在1左右，这说明孔状锈蚀对角钢的失稳压力影响很小。

2.2 全面锈蚀的影响

不同条件下全面锈蚀角钢的力学性能如图2所示。用全面锈蚀前后角钢截面面积差与锈蚀前截面面积的比值(以下称减薄比)表示角钢锈蚀减薄程度，研究了在全面锈蚀情况下其对角钢力学性能的影响。其中，全面锈蚀分单个肢边锈蚀(单边减薄)和两个肢边锈蚀(双边减薄)两种情况分析。

由图2(a)可知，随着减薄比的增大，全面锈蚀角钢的剩余拉压刚度逐渐线性减小，且发生双边减薄角钢剩余拉压刚度的下降速率明显大于单边减薄的。当减薄比为50%时，单边减薄角钢的剩余拉压刚度约为0.7，而双边减薄角钢的剩余拉压刚度低于0.5。

由图2(b)可知，在纯弯曲载荷下，单边减薄和双边减薄两种情况下角钢剩余弯曲刚度的下降趋势相差不大，但减薄比相同时，弯曲刚度的损失比拉压刚度的损失更大，这表明全面锈蚀对角钢弯曲刚度的削弱更为严重。

(a) 剩余拉压刚度 (b) 剩余弯曲刚度

(c) 剩余强度 (d) 剩余失稳压力图2 不同条件下全面锈蚀角钢的力学性能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

由图2(c)可知，随减薄比的增加，全面锈蚀角钢的剩余强度基本呈线性下降趋势，且在单边减薄和双边减薄两种情况下，降速相差不大。

由图2(d)可知，在双边减薄情况下，全面锈蚀角钢剩余失稳压力的下降速率明显大于单边减薄情况下的，当减薄比超过70%，双边减薄角钢的剩余失稳压力快速减小到0.2以下，这说明当截面减小到一定程度时，剩余失稳压力减小的速率明显加快。

2.3 局部区域性锈蚀的影响

不同条件下局部区域性锈蚀角钢的力学性能如图3所示。其中，用锈蚀长度与角钢长度的比值(以下称锈蚀长度比)表示锈蚀长度，考察了局部区域性锈蚀的两个变量(锈蚀长度和锈蚀深度)对角钢力学性能的影响。

(a) 剩余拉压刚度 (b) 剩余弯曲刚度

(c) 剩余强度 (d) 剩余失稳压力图3 不同条件下局部区域性锈蚀角钢的力学性能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

由图3(a)可知，在单轴拉压下，随着锈蚀长度比的增加，不同锈蚀深度角钢的剩余拉压刚度均逐渐减小；当锈蚀深度小于2.5 mm时，即使锈蚀长度比达40%时，其剩余拉压刚度仍高于0.5，当锈蚀深度超过2.5 mm时，角钢剩余拉压刚度断崖式下降，如锈蚀深度为3.0 mm和3.5 mm、锈蚀长度比为15%时，其剩余拉压刚度均低于0.3。

由图3(b)可知，纯弯曲载荷下，随锈蚀长度比和锈蚀深度的增加，角钢的弯曲刚度均下降，但下降速率较单轴拉压时更加平缓。此外还可以发现，角钢剩余弯曲刚度与锈蚀长度比基本呈线性下降关系，当锈蚀深度达到3.5 mm，锈蚀长度比为50%时，剩余弯曲刚度仍有45%。

由图3(c)可知，在单轴拉压和纯弯曲两种工况下，锈蚀角钢的剩余强度减小趋势基本一致，即使锈蚀深度仅为0.5 mm时，其剩余强度已经降至0.4左右。

由图3(d)可知，当锈蚀深度不超过3.5 mm时，曲线基本呈线性下降趋势，且下降趋势较为平缓，锈蚀长度比达65%时，其剩余失稳压力均高于0.5；但当锈蚀深度达到4.0 mm时，其剩余失稳压力出现骤降，锈蚀长度比为0.5%时，其剩余失稳压力低于0.3。

2.4 边缘锈蚀的影响

不同条件下边缘锈蚀角钢的力学性能如图4所示。考虑了肢边边缘锈蚀长度和锈蚀宽度两个锈蚀变量对角钢力学性能的影响，其中锈蚀长度同样用锈蚀长度比表示。

由图4(a)和图4(b)可知，随着锈蚀宽度的增加，边缘锈蚀角钢剩余拉压刚度和剩余弯曲刚度都逐渐减小，当锈蚀宽度达20mm时，即使锈蚀长度比仅为15%，两种剩余刚度的值都低于0.5；随着锈蚀长度比的增加，两种剩余刚度均呈下降趋势，且下降速率逐渐减小。此外，在相同锈蚀宽度下，剩余弯曲刚度比剩余拉压刚度低，这表明边缘锈蚀对角钢抗弯能力的削弱更为严重。

(a) 剩余拉压刚度 (b) 剩余弯曲刚度

(c) 剩余强度 (d) 剩余失稳压力图4 不同条件下边缘锈蚀角钢的力学性能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

由图4(c)可知，在单轴拉压和纯弯曲两种工况下，锈蚀宽度的增大，边缘锈蚀角钢的剩余强度均呈线性下降；锈蚀宽度较小时，剩余强度就已经降至0.4以下，这表明角钢内部的最大应力对边缘锈蚀的宽度较敏感。

由图4(d)可知，当锈蚀长度比小于30%时，不同锈蚀宽度下边缘锈蚀角钢的剩余失稳压力相差不大，且剩余失稳压力保持在0.6左右，几乎不随锈蚀长度比变化；当锈蚀长度比继续增大时，不同锈蚀宽度下角钢的剩余失稳压力曲线呈现不同的下降趋势，锈蚀宽度越大，其剩余失稳压力下降得越快。

3 结论

(1) 孔状锈蚀几乎不会影响角钢的剩余弯曲刚度和剩余失稳压力；蚀孔大小是影响角钢剩余拉压刚度的主要因素，而蚀孔位置对角钢剩余拉压刚度影响不大；蚀孔一旦形成，无论大小，孔边出现应力集中，使角钢的剩余强度降低至原有值的30%左右。

(2) 随减薄比的增大，全面锈蚀角钢的剩余拉压刚度、剩余弯曲刚度、剩余强度和剩余失稳压力均呈线性下降，当减薄比超过临界值时，剩余失稳压力会呈现加速下降趋势；全面锈蚀角钢弯曲刚度的损失程度大于拉压刚度的损失程度。

(3) 局部区域性锈蚀角钢的剩余拉压刚度、剩余弯曲刚度和剩余失稳压力与锈蚀长度和深度近似成反比关系；锈蚀深度2.5mm即超过板厚的50%时，角钢的剩余拉压刚度骤降；局部区域性锈蚀产生的应力集中使角钢的剩余强度降至原来的40%以下。

(4) 边缘锈蚀角钢的弯曲刚度损失大于拉压刚度的损失；边缘锈蚀所产生的应力集中也会使得角钢的剩余强度降低至原来的40%以下；锈蚀长度比超过35%时，剩余失稳压力明显下降。