老旧焊接铁塔服役现状检测及破坏模式分析*

丁祖善 霍福广 高圣达 卢丽敏 屈路阳

(1. 国网江苏省电力有限公司徐州供电分公司, 江苏徐州 221000;2. 中国矿业大学力学与土木工程学院, 江苏徐州 221116)

高压输电线路是电力能源输送的主动脉,铁塔作为输电线路的重要组成部分,是高压输电线路安全稳定运行的前提。自20世纪80年代以来,我国电力行业迅速发展并在全国各地建设了大量的输电线路,这些输电线路上的铁塔服役长达三十余年。调查可知仅徐州市辖区内就有不同输电等级的72条线路3 069个基塔服役超过30 a。这些铁塔由于设计标准偏低、长时间野外运行以及周围环境的影响等原因,其安全性已经无法满足现有标准和实际需求,具有较大的安全隐患。因此,亟须重新对其服役现状进行检测,并进行结构安全性分析。

对于老旧铁塔的历史损伤,既有的研究聚焦于铁塔角钢锈蚀对铁塔受力、变形以及承载力的影响。根据角钢构件锈蚀后的宏观损伤形态,将锈蚀分成不同的类型。[1-4]通过加速锈蚀法模拟角钢均匀锈蚀和人工局部打磨模拟角钢局部锈蚀,对不同锈蚀类型的角钢构件开展了大量试验,得出了锈蚀角钢锈蚀后承载力的计算方法。[5-8]一些学者针对老旧螺栓连接铁塔在新设计标准[9-11]要求下的抗风安全性进行了一些初步的研究。[12-14]然而,输电线路上的老旧焊接铁塔,由于建成时间较早,在服役期间形成了不同的损伤缺陷,历史损伤因素复杂,损伤特征和程度没有统一的评价标准,部分老旧铁塔存在有不利于后期加固改造施工的构造措施,且由于相关设计标准要求的提高,部分铁塔原始设计资料缺失,这些问题给铁塔的安全评价和加固改造带来了巨大的挑战。

以某ZT型老旧焊接铁塔为例,基于新老设计标准设计条件的变化以及老旧焊接铁塔的运行现状,对该铁塔的服役现状进行了检测和分析,通过有限元模拟研究了设计条件改变后,铁塔塔脚护台约束和杆件不同锈蚀厚度对该ZT型老旧焊接铁塔破坏模式的影响,得出了带缺陷的老旧焊接铁塔的破坏模式,为后续对其加固提供参考。

1 老旧焊接铁塔服役现状检测分析

针对徐州地区的老旧铁塔进行了服役现状调研和检测。检测结果表明老旧焊接铁塔主要存在以下问题:第一,许多老旧铁塔杆件之间采用焊接方式连接,一些铁塔的杆件发生了锈蚀,而焊接导致不能直接替换严重锈蚀杆件;第二,由于使用过程中进行了维护和加固,许多铁塔的塔腿被混凝土护台覆盖,改变了塔腿与基础的受力模式,即由铰接变为固接;第三,一些老旧铁塔的原始设计资料丢失,缺少部分杆件的具体尺寸和钢材型号,有部分铁塔现场测量结果与设计图纸不符。

1.1 铁塔尺寸及护台尺寸检测

针对老旧铁塔构件现有长度尺寸,采用三维激光扫描仪进行现场测量并生成数字化模型。测量时需要在铁塔周围布置三个标靶,布置原则为每个扫描站点都能清楚扫描到三个标靶,在后处理点云数据时标靶起到固定位置的作用。同时对铁塔4根塔腿编成1～4号,如图1所示。铁塔扫描结果通过点云处理软件进行点云的拼接与预处理、点云建模与编辑和点云的多成果处理,形成铁塔点云模型(图2)。

图1 三维激光扫描仪站点和标靶的布置Fig.1 Anangements of the 3D laser scanner sites and targets

图2 铁塔点云模型Fig.2 Iron tower point clouds

通过查阅该老旧铁塔现有原始资料并对比测量结果可知,在服役期间铁塔底部浇筑了一高1.5 m,长、宽均为2.3 m的混凝土护台,同时确定铁塔尺寸并对塔腿主要承载构件分段,如图3所示。

图3 铁塔尺寸及主要承载构件分段 mmFig.3 Tower dimensions and segmentation

1.2 构件宽度和厚度尺寸及锈蚀厚度检测

由于铁塔长期在野外服役,杆件存在有不同程度的锈蚀,须要定期在杆件表面刷防锈漆,导致三维激光扫描仪不能直接得到现有杆件的有效宽度和厚度尺寸。因此,针对典型杆件现场人工测量角钢现有尺寸(即有效宽度和厚度),并确定角钢的钢材型号以及锈蚀厚度。

1)铁塔构件现有尺寸测量:对于①～⑤段铁塔,每段铁塔依次挑选主要承载构件、次要承载构材和横向构件,共计24个测量对象。对选定的角钢靠近两端和中间位置选定三个测区,测区应离角钢肢背和肢尖至少大于10 mm,测区宽度为20～30 mm;每个测区测量3次取平均值作为一个有效测量结果。分别在角钢两肢处测量角钢带漆厚度和漆膜厚度,角钢带漆厚度减去漆膜厚度为该测区内角钢厚度,所有测区取平均值作为该角钢实际厚度t;使用同样的方法在测区处分别测量角钢两肢的宽度,所有测区取平均值作为该角钢实际宽度b。涂层厚度采用测厚仪检测,测试点应均匀分布。

2)钢材型号的确定:钢材型号的确定采用里氏硬度计无损检测法[15]进行测量,在铁塔1号塔腿第①～④段主材上挑选3个点测量硬度,每个点测量3次取平均值作为结果。

3)锈蚀厚度的确定:对测量结果进行分析,通过构件原设计尺寸减去角钢实际尺寸,即为该钢材锈蚀厚度的测量值,见式(1):

tc=t0-(t1-t′)

(1)

式中:tc为锈蚀厚度;t0为构件原设计厚度;t1为构件带漆膜厚度;t′为漆膜厚度。考虑锈蚀对角钢宽度影响较小,构件宽度采用原设计宽度。

根据以上测量方法和数据处理所得结果,参考相关原始设计资料,确定ZT型老旧铁塔构件所使用的钢材种类和型号。全塔采用Q235钢材,构件型号此处不再列出。24个测量对象的钢材锈蚀厚度的测量值在0.20～0.36 mm,取其平均值0.3 mm作为整塔杆件的锈蚀厚度[7]。

2 铁塔建模及强度验算方法

2.1 建模方法

根据某ZT型老旧焊接铁塔的测量结果,利用ABAQUS软件对该铁塔进行了有限元建模分析。考虑到铁塔斜材与主材之间通过焊接连接,铁塔采用刚架模型,分析其杆件的应力和破坏模式。刚架模型的杆件均为梁单元构成,杆件之间的连接方式为理想刚性连接,各杆件在结点处存在强约束作用,[1]采用梁单元可以有效模拟焊接杆件内力的传递。铁塔杆件采用B31两结点空间线性梁单元,每根杆件按规定的剖面形状和梁法线方向来模拟角钢构件。建立的铁塔模型见图4。

图4 铁塔模型及主材编号Fig.4 A tower model and numbers of main members

根据1.2节现场检测结果,该老旧铁塔主要承载构件采用Q235钢材,考虑对结构进行了简化,材料密度取原钢材密度的1.3倍,强度设计值为215 MPa,弹性模量取210 GPa,泊松比为0.274。导、地线处的荷载由计算得出,[11]然后施加在模型对应位置的结点处。根据风压和挡风面积计算得出每一塔段的塔身风荷载,将风荷载等效为结点荷载,施加在相邻的受力结点上。重力通过定义重力加速度来施加。

2.2 铁塔杆件强度验算方法

钢结构设计中,针对压弯和拉弯构件进行构件的强度验算,对铁塔角钢构件的强度计算式[10]规定如下。

受弯构件弯矩平面内的强度计算见式(2):

(2)

式中:N为轴心拉力或轴心压力设计值,N;m为构件强度折减系数,取1.0;An为构件净截面面积,mm2;Mx、My分别为同一截面对x轴和y轴的弯矩设计值,N·mm;Wx、Wy分别为构件x,y方向的净截面模量,mm3。

压弯构件弯矩平面内的稳定计算见式(3):

(3)

式中:N为轴心压力设计值,N;M为弯矩设计值,N·mm;mN为压杆稳定强度折减系数;A为构件毛截面面积;φ为轴心压杆稳定系数;W为截面抵抗矩,mm3;E为钢材的弹性模量,MPa;λx为构件绕x—x轴的长细比;NEx为参数。

3 现行设计标准下铁塔安全性分析

3.1 新老设计标准中设计条件的变化

老旧焊接铁塔是按照老设计标准[16]设计的,但现今对其结构安全性分析要按照新设计标准[9-11]设计条件进行。设计条件存在以下变化:

1)老旧铁塔设计之初按风速26 m/s,覆冰厚度按5 mm设计,但是目前徐州地区铁塔普遍按照风速27 m/s,导线覆冰厚度按10 mm,地线覆冰厚度按15 mm设计。

2)新老标准对铁塔荷载系数的选取和计算方法的规定都有所不同,按老标准设计时未考虑风压高度变化系数,导致老旧铁塔按照新标准和现有条件验算时比原设计的导、地线风荷载和塔身风荷载增大。

3)老标准中对主要承载构件计算长度规定按1.0L计算,构件允许长细比为220。新标准中对主要承载构件计算长度规定按1.2L计算,构件允许长细比为200。计算长度的增加,导致验算时构件长细比增加,使得杆件强度验算时更不容易满足强度设计值的要求。

4)老旧铁塔杆件材质为Q235,其强度较低。次要承载构件和主要承载构件连接方式有的为直接焊接,有的通过节点板焊接连接。主要承载构件之间连接采用单包角钢螺栓连接。

3.2 基于新标准的铁塔安全性分析

以ZT型老旧焊接铁塔为研究对象,依据原设计资料(未考虑损伤缺陷),对其在现行设计标准和设计条件下结构的安全性,按标准[10]中要求的23种工况进行了验算。限于篇幅,这里仅介绍针对不同风力方向的大风工况和不同覆冰情况下铁塔杆件的强度验算结果,计算工况见表1。

表1 铁塔安全性验算工况Table 1 Tower safety test conditions

由于铁塔的1和2号塔腿受力相似且主要为受压主要承载构件,所以挑选1号塔腿分析各段主要承载构件的稳定应力,见表2;铁塔的3、4号塔腿受力相似且主要为受拉主要承载构件,所以挑选4号塔腿分析各段主要承载构件构件的强度应力,见表3。

表2 1号塔腿应力Table 2 Stress of tower leg 1

表3 4号塔腿应力Table 3 Stress of tower leg 4

计算分析表明:在老标准设计条件下的老旧焊接铁塔杆件验算都符合强度设计值要求,在此不多做叙述。在新标准设计条件极端荷载运行工况下,各段主要承载构件有不同程度的应力超限情况,尤其以90°大风工况和不均匀覆冰工况下主要承载构件超限严重。其中1～4号塔腿的第①段～第④段主要承载构件有不同程度的应力超限,在工况6下1号塔腿的第④段主要承载构件最大稳定应力达到387.06 MPa,超过其强度设计值,发生失稳破坏;在工况6下4号塔腿第④段主要承载构件最大强度应力达到250.68 MPa,超过其强度设计值,发生受拉破坏。

4 老旧焊接铁塔历史损伤对破坏模式的影响

4.1 混凝土护台对铁塔杆件内力的影响

ZT型老旧焊接铁塔在服役期间,人工浇筑了混凝土护台。为了对比分析混凝土护台对铁塔杆件受力性能及安全性的影响,基于现行设计标准的计算要求,对原始设计的铁塔(即不考虑锈蚀损伤)进行了混凝土护台模型简化及有、无混凝土护台覆盖的结构受力分析。

1)混凝土护台实体模型简化:为了使研究混凝土护台作用下的铁塔结构内力更加方便,根据1.1节对ZT型老旧焊接铁塔的实测结果,建立了老旧焊接铁塔的混凝土护台实体模型和混凝土护台简化模型(塔脚固接)。为了验证铁塔的混凝土护台简化模型的可行性,对表1所列上述工况下的上述两种模型进行了杆件内力计算。由模拟结果可知:铁塔在混凝土护台实体模型(图5)与混凝土护台简化模型(图6)下的等效应力基本一致。说明将铁塔被混凝土护台覆盖简化为铁塔塔脚完全固接可行。

图5 护台实体模型 MPaFig.5 A platform model

图6 护台简化模型 MPaFig.6 A simplified platform model

2)混凝土护台对铁塔结构的影响:为了对比分析混凝土护台在铁塔后期服役过程中对铁塔杆件应力的影响,以表1所列工况下的原设计铁塔为例,分别计算了塔脚被混凝土护台覆盖(塔脚连接为固接)和未覆盖(塔脚连接为铰接)情况下的杆件受力,计算结果见图7～图9。

图7 无护台覆盖应力云 MPaFig.7 Stress contours of the tower without the concrete platform

图8 护台覆盖应力云 MPaFig.8 Stress contours of the tower with the concrete platform

a—1号塔腿; b—4号塔腿。图9 主要承载构件应力比Fig.9 Stress ratios in the main members

在图7、8中可以看到:没有护台覆盖的铁塔,主要在1～4号塔腿第①段主要承载构件靠近塔脚处会出现较大变形,发生受压强度破坏;而有护台覆盖的铁塔,第①段主要承载构件变形较小。以主要承载构件的验算应力与强度设计值的比值来反映铁塔主要承载构件的应力情况。图9的数据分析表明:护台的存在使得1号塔腿第①～⑤段主要承载构件稳定应力分别增长17%、23%、13%、12%和6%,其中第①段主要承载构件顶部稳定应力由206.55 MPa增长到232.46 MPa,超过其强度设计值发生失稳破坏;护台的存在使得4号塔腿第①段主要承载构件中部最大强度应力由236.19 MPa减少到192.63 MPa,低于其强度设计值(不再超限),但使得第②～⑤段主要承载构件的强度应力分别增长17%、11%、9%和6%,其中4号塔腿第②段主要承载构件底部强度应力由197.33 MPa增长到229.42 MPa,超过其强度设计值,发生受拉强度破坏。

4.2 杆件锈蚀厚度对杆件内力的影响

对于在役的铁塔,运维部门会定期除锈和涂刷防锈漆,以防止铁塔杆件发生严重锈蚀,使得铁塔杆件锈蚀程度处于一定的范围内,锈蚀厚度一般不会超过1 mm。[17]为了研究铁塔杆件锈蚀对其承载能力的影响,以工况4下的原始设计铁塔为例,模拟铁塔杆件在不同锈蚀厚度tc(0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 mm)下的应力增长,见图10。

a—1号主要承载构件; b—4号主要承载构件。图10 锈蚀后应力比Fig.10 Stress ratios in the rusted members

由于铁塔第①～③段主要承载构件中角钢截面尺寸较大,第④段和第⑤段主要承载构件中角钢截面尺寸较小,铁塔杆件锈蚀对第④段和第⑤段主要承载构件的影响较大,且对主要承载构件强度应力的影响大于稳定应力。由图10可知,当铁塔杆件锈蚀厚度达到0.3 mm时,1号塔腿的第④段主要承载构件稳定应力最多增加4%,第⑤段主要承载构件稳定应力最多增加6%;4号塔腿的第④段主要承载构件的强度应力最多增加7%,第⑤段主要承载构件的强度应力最多增加10%。当铁塔杆件锈蚀厚度达到1 mm时,1号塔腿的第④段主要承载构件稳定应力最多增加17%,第⑤段主要承载构件稳定应力最多增加23%;4号塔腿的第④段主要承载构件的强度应力最多增加31%,第⑤段主要承载构件的强度应力最多增加45%。铁塔杆件锈蚀会导致以第④段和第⑤段强度破坏为主要的不利工况提早发生破坏,极大地增加铁塔的破坏风险。

5 既有ZT老旧焊接铁塔的破坏模式

根据第1节检测结果得知:ZT典型老旧焊接铁塔的塔脚被混凝土护台覆盖,该塔杆件锈蚀0.3 mm。为此,进行了塔脚固接和杆件锈蚀0.3 mm的ZT型老旧焊接铁塔在正常运行状况下的安全性分析,以不同风速的工况4和工况6为例,研究其破坏模式。图11的数据分析表明:在风速达到18 m/s时,1号主材第②段主要承载构件杆件强度验算达到221.45 MPa,第④段主要承载构件杆件强度验算达到223.6 MPa,超过强度设计值,发生失稳破坏。图12的数据分析表明:在工况6不均匀覆冰情况时,铁塔1号主要承载构件超限严重,第②段主要承载构件杆件强度验算达到423 MPa,第④段主要承载构件杆件强度验算达到434 MPa,超过强度设计值,发生失稳破坏;4号主要承载构件第④段主要承载构件杆件强度验算达到311.75 MPa,超过强度设计值,发生受拉破坏。

a—1号主要承载构件; b—4号主要承载构件。图11 锈蚀0.3 mm后,工况4下主要承载构件应力比Fig.11 Stress of the main members in condition 4 after being rusted of 0.3 mm in thickness

图12 锈蚀0.3 mm后,工况6下主要承载构件应力比Fig.12 Stress of the main members in condition 6 after being rusted of 0.3 mm in thickness

6 结束语

以某ZT型老旧焊接铁塔为研究对象,提出了数字化检测老旧焊接铁塔尺寸和缺陷的方法。通过有限元模拟分析了设计标准改变下和损伤缺陷(混凝土护台和锈蚀)对老旧焊接铁塔的影响规律,得出以下结论:

1)依据现行设计标准,ZT型老旧焊接铁塔在90°大风工况和不均匀覆冰工况下主要承载构件各杆件应力超限严重。超限位置主要集中于铁塔第②段和第④段主要承载构件,破坏模式主要为失稳破坏。

2)在仅考虑混凝土护台覆盖塔脚的情况下,混凝土护台改变了铁塔主要承载构件的应力分布,破坏区间由铁塔下部向中部转移,降低了铁塔的安全性能。

3)在仅考虑铁塔杆件锈蚀的影响下,杆件锈蚀增大了杆件应力,使得铁塔更早达到破坏条件;ZT型老旧焊接铁塔发生锈蚀时,对受拉主要承载构件影响大于受压主要承载构件,铁塔中上部主要承载构件受到的影响最为严重。

4)在综合考虑塔脚固接和杆件锈蚀0.3 mm下,该ZT型老旧焊接铁塔在90°大风工况、风速达到18 m/s时,会发生第②和④段主要承载构件的失稳破坏。