局部锈蚀单角钢轴心受压稳定承载力分析

谭晓哲，宋卓彦，金 瑶，张 鑫，赵 杰

（国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250013）

0 引言

输电线路角钢塔是采用热轧角钢制造、螺栓连接的空间桁架结构，在输电线路工程中使用量大、应用范围广。角钢塔长时间处于露天恶劣环境中运行，角钢锈蚀是其常见的破坏形式。塔脚部分积灰、湿度大，或镀锌层存在漏镀、麻点、伤痕等缺陷，容易使铁塔构件产生局部锈蚀［1］；浮土滑落、堆积掩埋铁塔构件引起的塔材局部锈蚀也较为常见。塔身主材是铁塔主要受力构件，杆塔设计时按照两端铰接中心受力杆件计算，应重点关注锈蚀对其的影响。

钢结构、杆塔结构设计相关规范仅规定了等截面轴心受压等边角钢稳定性的计算方法［2-3］，对局部锈蚀角钢的轴心受压稳定承载力计算没有具体规定。文献［4］对均匀锈蚀角钢抗压承载力进行了试验研究。文献［5］采用实验和有限元法对单边连接锈蚀角钢的稳定承载力进行了研究。文献［6］采用有限元法分析了局部区域性锈蚀两端固接失稳压力，研究了不同锈蚀深度下剩余失稳压力与锈蚀长度比的关系，但未针对杆件长细比、局部锈蚀位置等进行分析。

由于缺少理论指导，线路检修人员发现锈蚀的角钢构件，进行加固、更换还是除锈防腐，难以作出判断。若检修人员判断错误，对需更换杆件的杆塔进行简单除锈防腐处理，将严重影响输电线路的安全运行；如果盲目更换锈蚀构件，又会造成资源浪费，增加线路的运行成本。本文利用分析准确性高、成本低、速度快的ANSYS有限元分析软件，对局部锈蚀单角钢轴心受压稳定承载力进行研究，分析锈蚀位置、锈蚀率、长细比等对稳定承载力的影响，提出了角钢塔主材锈蚀时合理处置措施的判别方法，为检修人员提供技术参考。

1 有限元模型的建立及分类

1.1 有限元模型的建立

本文选择SHELL181壳单元模拟角钢构件，SHELL181壳单元有4个节点，每个节点有6个自由度，分别为沿X，Y，Z方向的平动和绕X，Y，Z轴的转动。SHELL181壳单元具有大变形功能、非线性功能，以及截面数据定义、分析和可视化等功能，适用于薄到中等厚度的壳结构。采用SHELL181壳单元可以较方便、准确地模拟单角钢受压构件，与实体单元相比，可减少计算量、提高计算效率。

本文选取肢宽125 mm、肢厚10 mm的典型等肢角钢（L125×10等边角钢，下同）进行分析，采用自底向上建模方法，先建立关键点，再由关键点生成线，然后通过线扫略成面。建模时采用理想弹塑性本构模型定义钢材的应力应变关系，钢材屈服强度取355 MPa，弹性模量取206 GPa，泊松比取0.3。通过赋予较薄的厚度来模拟角钢局部锈蚀。

建立有限元模型时，对角钢端部截面节点建立约束方程，创建一个刚性区域。通过释放角钢两端节点X，Y，Z轴的转动自由度实现角钢两端铰接，再释放加载端节点的轴向位移自由度使角钢能够轴向变形，从而达到角钢两端铰接的轴心受压状态。考虑大变形和材料非线性，在角钢构件加载端节点施加沿角钢轴向的压力，若在程序窗口观察到荷载下降，即认为构件发生失稳破坏并终止分析，加载过程中得到的轴向荷载最大值即为构件的轴心受压稳定承载力。锈蚀角钢的有限元模型如图1所示。

图1 锈蚀角钢的有限元模型

1.2 有限元模型的分类

为充分研究局部锈蚀角钢轴心受压稳定承载力，本文对不同锈蚀率（锈蚀率分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%）、局部双肢锈蚀和单肢锈蚀（锈蚀位置分别在SZ1—SZ5、DZ1—DZ5处，如图2所示）、不同长细比（长细比分别为60、90、120）时角钢的轴心受压稳定承载力进行模拟计算。图2中标黑表示该位置发生锈蚀。

图2 角钢局部锈蚀及编号示意图

2 有限元模拟结果分析

2.1 锈蚀角钢变形结果

从有限元分析结果看，局部双肢锈蚀、单肢锈蚀的所有角钢构件均发生整体弯曲失稳。以锈蚀率为40%、长细比为90、锈蚀位置在SZ4、DZ4处角钢构件的轴心受压分析为例，变形结果如图3所示。

图3 锈蚀角钢轴心受压变形结果

2.2 锈蚀角钢稳定承载力

对1.2节中各种工况下的锈蚀角钢进行有限元模拟分析。为了更直观展示锈蚀对角钢轴心受压稳定承载力的影响规律，规定锈蚀角钢剩余稳定承载力系数为锈蚀角钢轴心受压稳定承载力与未锈蚀角钢轴心受压稳定承载力的比值。锈蚀角钢稳定承载力有限元分析结果如表1所示。

表1 锈蚀角钢稳定承载力有限元分析结果

续表

续表

2.3 锈蚀位置对角钢稳定承载力的影响

根据表1中的数据，绘制角钢构件不同锈蚀率、不同长细比时，角钢剩余稳定承载力系数与锈蚀位置的关系曲线，如图4所示。

图4 角钢剩余稳定承载力系数-锈蚀位置曲线

由图4可见，无论是局部双肢锈蚀的角钢还是单肢锈蚀的角钢，随着锈蚀位置由端部向跨中靠近，角钢剩余稳定承载力系数曲线逐渐下降，说明锈蚀位置越靠近构件中间，角钢剩余稳定承载力系数越小，稳定承载力降低越多，锈蚀位置距离构件中间越近越不利。不同长细比的角钢构件均表现出相同的变化规律。

除极个别工况数据，在相同锈蚀率、锈蚀位置的情况下，锈蚀角钢剩余稳定承载力系数表现为：长细比120杆件＞长细比90杆件＞长细比60杆件。长细比越大的杆件，其剩余稳定承载力系数越大，说明相同锈蚀情况下，较长杆件稳定承载力受锈蚀影响较小，较短杆件稳定承载力受锈蚀影响较大。

相同长细比时，双肢锈蚀角钢剩余稳定承载力系数曲线均在单肢锈蚀角钢剩余稳定承载力系数曲线之下，说明发生锈蚀面积较大的双肢锈蚀时，角钢剩余稳定承载力较小，角钢双肢锈蚀较单肢锈蚀更不利。

锈蚀角钢轴心受压强度承载力可按锈蚀后角钢剩余有效面积进行计算。结合表1和图4，以图4（e）中SZ（50）-60和DZ（50）-60数据为例（其他数据规律一致），发现其受压强度承载力损失分别为50%和25%，但是其受压稳定承载力损失分别为40.56%和22.18%，说明锈蚀对角钢受压强度承载力的影响大于对角钢受压稳定承载力的影响。

2.4 锈蚀率对角钢剩余稳定承载力的影响

根据表1中的数据，绘制角钢构件在不同锈蚀位置、不同长细比时，角钢剩余稳定承载力系数与锈蚀率的关系曲线，如图5所示。

图5 角钢剩余稳定承载力系数-锈蚀率曲线

由图5可见，锈蚀位置相同时，随着角钢构件锈蚀率的逐渐增大，角钢剩余稳定承载力系数逐渐下降，说明锈蚀率越大，角钢稳定承载力损失越大，不同长细比的角钢构件均表现出相同的变化规律。同时，由图5可以看出，长细比、锈蚀面积等对角钢稳定承载力的影响规律与2.3节一致。

2.5 工程应用实例

线路检修人员发现角钢塔主材锈蚀时，可结合该塔设计计算文件，对比原杆件的设计应力比与锈蚀角钢剩余稳定承载力系数，以决定进行加固、更换还是除锈防腐处理，判别标准如下：

1）若锈蚀构件剩余稳定承载力系数小于构件设计应力比，则认为锈蚀后角钢不能满足设计要求，应对锈蚀角钢构件进行加固或更换。

2）若锈蚀构件剩余稳定承载力系数不小于构件设计应力比，则认为锈蚀角钢稳定承载力满足设计要求。由于锈蚀对角钢受压强度承载力的影响大于对稳定承载力的影响，尚须比较锈蚀后构件受压强度承载力是否满足设计要求，如果满足，则可以对锈蚀角钢进行除锈防腐处理，无须加固或更换杆件；如果不满足，则要对锈蚀角钢构件进行加固或更换。

假设某110 kV线路巡检中发现铁塔塔身主材发生局部双肢锈蚀，锈蚀位置位于杆件中间，长度约为杆件长度的1/9，锈蚀深度为3.8 mm，经查工程设计文件，该杆件采用L125×10等边热轧角钢，材质为Q355，杆件长细比为65，杆件为稳定控制，设计应力比为81.42%，现制定处理措施。

1）方案1。锈蚀深度3.8 mm换算成锈蚀率为38%，按照线性差值法估算锈蚀后杆件剩余稳定承载力系数，查询表1得出。

由于71.60%＜81.42%，应对该锈蚀杆件进行加固或者更换。

2）方案2。应用有限元分析软件对SZ5（0）-65和SZ5（38）-65杆件分别进行建模计算，分析得到杆件SZ5（0）-65的轴心受压稳定承载力为632.34 kN，SZ5（38）-65的轴心受压稳定承载力为455.71 kN，得出锈蚀角钢剩余稳定承载力系数为72.07%。由于72.07%＜81.42%，应对该杆件进行加固或者更换。

方案1和方案2的分析结果一致，线性插值法计算的结果与有限元分析法计算的结果的误差为0.65%，说明简单按照已有数据进行线性插值计算是可行的。

3 结论

本文对局部锈蚀单角钢轴心受压稳定承载力进行了研究，分析了锈蚀位置、锈蚀率、构件长细比等因素对角钢稳定承载力的影响，主要得到以下结论：

1）锈蚀位置离构件中间越近、锈蚀率越大，角钢轴心受压稳定承载力越小；较长角钢构件的剩余稳定承载力系数大于较短构件，锈蚀对较短杆件的稳定承载力影响更大；双肢锈蚀角钢稳定承载力比单肢锈蚀要小，角钢双肢锈蚀更不利。

2）通过比较杆件设计应力比与锈蚀角钢剩余稳定承载力系数的大小、锈蚀角钢受压强度承载力与压力设计值的大小，合理选择角钢塔主材锈蚀的处理措施，为检修人员提供了技术依据。

本文仅分析了一种常见局部锈蚀等边角钢轴心受压稳定承载力，后续将对其他规格角钢的受压稳定承载力进行计算分析，制成表格供运维检修人员使用。此外，由于角钢构件锈蚀具有多样化，还要对其他锈蚀情况进行细化研究。