丁祖善 霍福廣 高圣達(dá) 盧麗敏 屈路陽
(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司, 江蘇徐州 221000;2. 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院, 江蘇徐州 221116)
高壓輸電線路是電力能源輸送的主動脈,鐵塔作為輸電線路的重要組成部分,是高壓輸電線路安全穩(wěn)定運行的前提。自20世紀(jì)80年代以來,我國電力行業(yè)迅速發(fā)展并在全國各地建設(shè)了大量的輸電線路,這些輸電線路上的鐵塔服役長達(dá)三十余年。調(diào)查可知僅徐州市轄區(qū)內(nèi)就有不同輸電等級的72條線路3 069個基塔服役超過30 a。這些鐵塔由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低、長時間野外運行以及周圍環(huán)境的影響等原因,其安全性已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和實際需求,具有較大的安全隱患。因此,亟須重新對其服役現(xiàn)狀進(jìn)行檢測,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性分析。
對于老舊鐵塔的歷史損傷,既有的研究聚焦于鐵塔角鋼銹蝕對鐵塔受力、變形以及承載力的影響。根據(jù)角鋼構(gòu)件銹蝕后的宏觀損傷形態(tài),將銹蝕分成不同的類型。[1-4]通過加速銹蝕法模擬角鋼均勻銹蝕和人工局部打磨模擬角鋼局部銹蝕,對不同銹蝕類型的角鋼構(gòu)件開展了大量試驗,得出了銹蝕角鋼銹蝕后承載力的計算方法。[5-8]一些學(xué)者針對老舊螺栓連接鐵塔在新設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[9-11]要求下的抗風(fēng)安全性進(jìn)行了一些初步的研究。[12-14]然而,輸電線路上的老舊焊接鐵塔,由于建成時間較早,在服役期間形成了不同的損傷缺陷,歷史損傷因素復(fù)雜,損傷特征和程度沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn),部分老舊鐵塔存在有不利于后期加固改造施工的構(gòu)造措施,且由于相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的提高,部分鐵塔原始設(shè)計資料缺失,這些問題給鐵塔的安全評價和加固改造帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
以某ZT型老舊焊接鐵塔為例,基于新老設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計條件的變化以及老舊焊接鐵塔的運行現(xiàn)狀,對該鐵塔的服役現(xiàn)狀進(jìn)行了檢測和分析,通過有限元模擬研究了設(shè)計條件改變后,鐵塔塔腳護(hù)臺約束和桿件不同銹蝕厚度對該ZT型老舊焊接鐵塔破壞模式的影響,得出了帶缺陷的老舊焊接鐵塔的破壞模式,為后續(xù)對其加固提供參考。
針對徐州地區(qū)的老舊鐵塔進(jìn)行了服役現(xiàn)狀調(diào)研和檢測。檢測結(jié)果表明老舊焊接鐵塔主要存在以下問題:第一,許多老舊鐵塔桿件之間采用焊接方式連接,一些鐵塔的桿件發(fā)生了銹蝕,而焊接導(dǎo)致不能直接替換嚴(yán)重銹蝕桿件;第二,由于使用過程中進(jìn)行了維護(hù)和加固,許多鐵塔的塔腿被混凝土護(hù)臺覆蓋,改變了塔腿與基礎(chǔ)的受力模式,即由鉸接變?yōu)楣探?第三,一些老舊鐵塔的原始設(shè)計資料丟失,缺少部分桿件的具體尺寸和鋼材型號,有部分鐵塔現(xiàn)場測量結(jié)果與設(shè)計圖紙不符。
針對老舊鐵塔構(gòu)件現(xiàn)有長度尺寸,采用三維激光掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場測量并生成數(shù)字化模型。測量時需要在鐵塔周圍布置三個標(biāo)靶,布置原則為每個掃描站點都能清楚掃描到三個標(biāo)靶,在后處理點云數(shù)據(jù)時標(biāo)靶起到固定位置的作用。同時對鐵塔4根塔腿編成1~4號,如圖1所示。鐵塔掃描結(jié)果通過點云處理軟件進(jìn)行點云的拼接與預(yù)處理、點云建模與編輯和點云的多成果處理,形成鐵塔點云模型(圖2)。
圖1 三維激光掃描儀站點和標(biāo)靶的布置Fig.1 Anangements of the 3D laser scanner sites and targets
圖2 鐵塔點云模型Fig.2 Iron tower point clouds
通過查閱該老舊鐵塔現(xiàn)有原始資料并對比測量結(jié)果可知,在服役期間鐵塔底部澆筑了一高1.5 m,長、寬均為2.3 m的混凝土護(hù)臺,同時確定鐵塔尺寸并對塔腿主要承載構(gòu)件分段,如圖3所示。
圖3 鐵塔尺寸及主要承載構(gòu)件分段 mmFig.3 Tower dimensions and segmentation
由于鐵塔長期在野外服役,桿件存在有不同程度的銹蝕,須要定期在桿件表面刷防銹漆,導(dǎo)致三維激光掃描儀不能直接得到現(xiàn)有桿件的有效寬度和厚度尺寸。因此,針對典型桿件現(xiàn)場人工測量角鋼現(xiàn)有尺寸(即有效寬度和厚度),并確定角鋼的鋼材型號以及銹蝕厚度。
1)鐵塔構(gòu)件現(xiàn)有尺寸測量:對于①~⑤段鐵塔,每段鐵塔依次挑選主要承載構(gòu)件、次要承載構(gòu)材和橫向構(gòu)件,共計24個測量對象。對選定的角鋼靠近兩端和中間位置選定三個測區(qū),測區(qū)應(yīng)離角鋼肢背和肢尖至少大于10 mm,測區(qū)寬度為20~30 mm;每個測區(qū)測量3次取平均值作為一個有效測量結(jié)果。分別在角鋼兩肢處測量角鋼帶漆厚度和漆膜厚度,角鋼帶漆厚度減去漆膜厚度為該測區(qū)內(nèi)角鋼厚度,所有測區(qū)取平均值作為該角鋼實際厚度t;使用同樣的方法在測區(qū)處分別測量角鋼兩肢的寬度,所有測區(qū)取平均值作為該角鋼實際寬度b。涂層厚度采用測厚儀檢測,測試點應(yīng)均勻分布。
2)鋼材型號的確定:鋼材型號的確定采用里氏硬度計無損檢測法[15]進(jìn)行測量,在鐵塔1號塔腿第①~④段主材上挑選3個點測量硬度,每個點測量3次取平均值作為結(jié)果。
3)銹蝕厚度的確定:對測量結(jié)果進(jìn)行分析,通過構(gòu)件原設(shè)計尺寸減去角鋼實際尺寸,即為該鋼材銹蝕厚度的測量值,見式(1):
tc=t0-(t1-t′)
(1)
式中:tc為銹蝕厚度;t0為構(gòu)件原設(shè)計厚度;t1為構(gòu)件帶漆膜厚度;t′為漆膜厚度??紤]銹蝕對角鋼寬度影響較小,構(gòu)件寬度采用原設(shè)計寬度。
根據(jù)以上測量方法和數(shù)據(jù)處理所得結(jié)果,參考相關(guān)原始設(shè)計資料,確定ZT型老舊鐵塔構(gòu)件所使用的鋼材種類和型號。全塔采用Q235鋼材,構(gòu)件型號此處不再列出。24個測量對象的鋼材銹蝕厚度的測量值在0.20~0.36 mm,取其平均值0.3 mm作為整塔桿件的銹蝕厚度[7]。
根據(jù)某ZT型老舊焊接鐵塔的測量結(jié)果,利用ABAQUS軟件對該鐵塔進(jìn)行了有限元建模分析。考慮到鐵塔斜材與主材之間通過焊接連接,鐵塔采用剛架模型,分析其桿件的應(yīng)力和破壞模式。剛架模型的桿件均為梁單元構(gòu)成,桿件之間的連接方式為理想剛性連接,各桿件在結(jié)點處存在強約束作用,[1]采用梁單元可以有效模擬焊接桿件內(nèi)力的傳遞。鐵塔桿件采用B31兩結(jié)點空間線性梁單元,每根桿件按規(guī)定的剖面形狀和梁法線方向來模擬角鋼構(gòu)件。建立的鐵塔模型見圖4。
圖4 鐵塔模型及主材編號Fig.4 A tower model and numbers of main members
根據(jù)1.2節(jié)現(xiàn)場檢測結(jié)果,該老舊鐵塔主要承載構(gòu)件采用Q235鋼材,考慮對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化,材料密度取原鋼材密度的1.3倍,強度設(shè)計值為215 MPa,彈性模量取210 GPa,泊松比為0.274。導(dǎo)、地線處的荷載由計算得出,[11]然后施加在模型對應(yīng)位置的結(jié)點處。根據(jù)風(fēng)壓和擋風(fēng)面積計算得出每一塔段的塔身風(fēng)荷載,將風(fēng)荷載等效為結(jié)點荷載,施加在相鄰的受力結(jié)點上。重力通過定義重力加速度來施加。
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中,針對壓彎和拉彎構(gòu)件進(jìn)行構(gòu)件的強度驗算,對鐵塔角鋼構(gòu)件的強度計算式[10]規(guī)定如下。
受彎構(gòu)件彎矩平面內(nèi)的強度計算見式(2):
(2)
式中:N為軸心拉力或軸心壓力設(shè)計值,N;m為構(gòu)件強度折減系數(shù),取1.0;An為構(gòu)件凈截面面積,mm2;Mx、My分別為同一截面對x軸和y軸的彎矩設(shè)計值,N·mm;Wx、Wy分別為構(gòu)件x,y方向的凈截面模量,mm3。
壓彎構(gòu)件彎矩平面內(nèi)的穩(wěn)定計算見式(3):
(3)
式中:N為軸心壓力設(shè)計值,N;M為彎矩設(shè)計值,N·mm;mN為壓桿穩(wěn)定強度折減系數(shù);A為構(gòu)件毛截面面積;φ為軸心壓桿穩(wěn)定系數(shù);W為截面抵抗矩,mm3;E為鋼材的彈性模量,MPa;λx為構(gòu)件繞x—x軸的長細(xì)比;NEx為參數(shù)。
老舊焊接鐵塔是按照老設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[16]設(shè)計的,但現(xiàn)今對其結(jié)構(gòu)安全性分析要按照新設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[9-11]設(shè)計條件進(jìn)行。設(shè)計條件存在以下變化:
1)老舊鐵塔設(shè)計之初按風(fēng)速26 m/s,覆冰厚度按5 mm設(shè)計,但是目前徐州地區(qū)鐵塔普遍按照風(fēng)速27 m/s,導(dǎo)線覆冰厚度按10 mm,地線覆冰厚度按15 mm設(shè)計。
2)新老標(biāo)準(zhǔn)對鐵塔荷載系數(shù)的選取和計算方法的規(guī)定都有所不同,按老標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計時未考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù),導(dǎo)致老舊鐵塔按照新標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有條件驗算時比原設(shè)計的導(dǎo)、地線風(fēng)荷載和塔身風(fēng)荷載增大。
3)老標(biāo)準(zhǔn)中對主要承載構(gòu)件計算長度規(guī)定按1.0L計算,構(gòu)件允許長細(xì)比為220。新標(biāo)準(zhǔn)中對主要承載構(gòu)件計算長度規(guī)定按1.2L計算,構(gòu)件允許長細(xì)比為200。計算長度的增加,導(dǎo)致驗算時構(gòu)件長細(xì)比增加,使得桿件強度驗算時更不容易滿足強度設(shè)計值的要求。
4)老舊鐵塔桿件材質(zhì)為Q235,其強度較低。次要承載構(gòu)件和主要承載構(gòu)件連接方式有的為直接焊接,有的通過節(jié)點板焊接連接。主要承載構(gòu)件之間連接采用單包角鋼螺栓連接。
以ZT型老舊焊接鐵塔為研究對象,依據(jù)原設(shè)計資料(未考慮損傷缺陷),對其在現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計條件下結(jié)構(gòu)的安全性,按標(biāo)準(zhǔn)[10]中要求的23種工況進(jìn)行了驗算。限于篇幅,這里僅介紹針對不同風(fēng)力方向的大風(fēng)工況和不同覆冰情況下鐵塔桿件的強度驗算結(jié)果,計算工況見表1。
表1 鐵塔安全性驗算工況Table 1 Tower safety test conditions
由于鐵塔的1和2號塔腿受力相似且主要為受壓主要承載構(gòu)件,所以挑選1號塔腿分析各段主要承載構(gòu)件的穩(wěn)定應(yīng)力,見表2;鐵塔的3、4號塔腿受力相似且主要為受拉主要承載構(gòu)件,所以挑選4號塔腿分析各段主要承載構(gòu)件構(gòu)件的強度應(yīng)力,見表3。
表2 1號塔腿應(yīng)力Table 2 Stress of tower leg 1
表3 4號塔腿應(yīng)力Table 3 Stress of tower leg 4
計算分析表明:在老標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計條件下的老舊焊接鐵塔桿件驗算都符合強度設(shè)計值要求,在此不多做敘述。在新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計條件極端荷載運行工況下,各段主要承載構(gòu)件有不同程度的應(yīng)力超限情況,尤其以90°大風(fēng)工況和不均勻覆冰工況下主要承載構(gòu)件超限嚴(yán)重。其中1~4號塔腿的第①段~第④段主要承載構(gòu)件有不同程度的應(yīng)力超限,在工況6下1號塔腿的第④段主要承載構(gòu)件最大穩(wěn)定應(yīng)力達(dá)到387.06 MPa,超過其強度設(shè)計值,發(fā)生失穩(wěn)破壞;在工況6下4號塔腿第④段主要承載構(gòu)件最大強度應(yīng)力達(dá)到250.68 MPa,超過其強度設(shè)計值,發(fā)生受拉破壞。
ZT型老舊焊接鐵塔在服役期間,人工澆筑了混凝土護(hù)臺。為了對比分析混凝土護(hù)臺對鐵塔桿件受力性能及安全性的影響,基于現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的計算要求,對原始設(shè)計的鐵塔(即不考慮銹蝕損傷)進(jìn)行了混凝土護(hù)臺模型簡化及有、無混凝土護(hù)臺覆蓋的結(jié)構(gòu)受力分析。
1)混凝土護(hù)臺實體模型簡化:為了使研究混凝土護(hù)臺作用下的鐵塔結(jié)構(gòu)內(nèi)力更加方便,根據(jù)1.1節(jié)對ZT型老舊焊接鐵塔的實測結(jié)果,建立了老舊焊接鐵塔的混凝土護(hù)臺實體模型和混凝土護(hù)臺簡化模型(塔腳固接)。為了驗證鐵塔的混凝土護(hù)臺簡化模型的可行性,對表1所列上述工況下的上述兩種模型進(jìn)行了桿件內(nèi)力計算。由模擬結(jié)果可知:鐵塔在混凝土護(hù)臺實體模型(圖5)與混凝土護(hù)臺簡化模型(圖6)下的等效應(yīng)力基本一致。說明將鐵塔被混凝土護(hù)臺覆蓋簡化為鐵塔塔腳完全固接可行。
圖5 護(hù)臺實體模型 MPaFig.5 A platform model
圖6 護(hù)臺簡化模型 MPaFig.6 A simplified platform model
2)混凝土護(hù)臺對鐵塔結(jié)構(gòu)的影響:為了對比分析混凝土護(hù)臺在鐵塔后期服役過程中對鐵塔桿件應(yīng)力的影響,以表1所列工況下的原設(shè)計鐵塔為例,分別計算了塔腳被混凝土護(hù)臺覆蓋(塔腳連接為固接)和未覆蓋(塔腳連接為鉸接)情況下的桿件受力,計算結(jié)果見圖7~圖9。
圖7 無護(hù)臺覆蓋應(yīng)力云 MPaFig.7 Stress contours of the tower without the concrete platform
圖8 護(hù)臺覆蓋應(yīng)力云 MPaFig.8 Stress contours of the tower with the concrete platform
a—1號塔腿; b—4號塔腿。圖9 主要承載構(gòu)件應(yīng)力比Fig.9 Stress ratios in the main members
在圖7、8中可以看到:沒有護(hù)臺覆蓋的鐵塔,主要在1~4號塔腿第①段主要承載構(gòu)件靠近塔腳處會出現(xiàn)較大變形,發(fā)生受壓強度破壞;而有護(hù)臺覆蓋的鐵塔,第①段主要承載構(gòu)件變形較小。以主要承載構(gòu)件的驗算應(yīng)力與強度設(shè)計值的比值來反映鐵塔主要承載構(gòu)件的應(yīng)力情況。圖9的數(shù)據(jù)分析表明:護(hù)臺的存在使得1號塔腿第①~⑤段主要承載構(gòu)件穩(wěn)定應(yīng)力分別增長17%、23%、13%、12%和6%,其中第①段主要承載構(gòu)件頂部穩(wěn)定應(yīng)力由206.55 MPa增長到232.46 MPa,超過其強度設(shè)計值發(fā)生失穩(wěn)破壞;護(hù)臺的存在使得4號塔腿第①段主要承載構(gòu)件中部最大強度應(yīng)力由236.19 MPa減少到192.63 MPa,低于其強度設(shè)計值(不再超限),但使得第②~⑤段主要承載構(gòu)件的強度應(yīng)力分別增長17%、11%、9%和6%,其中4號塔腿第②段主要承載構(gòu)件底部強度應(yīng)力由197.33 MPa增長到229.42 MPa,超過其強度設(shè)計值,發(fā)生受拉強度破壞。
對于在役的鐵塔,運維部門會定期除銹和涂刷防銹漆,以防止鐵塔桿件發(fā)生嚴(yán)重銹蝕,使得鐵塔桿件銹蝕程度處于一定的范圍內(nèi),銹蝕厚度一般不會超過1 mm。[17]為了研究鐵塔桿件銹蝕對其承載能力的影響,以工況4下的原始設(shè)計鐵塔為例,模擬鐵塔桿件在不同銹蝕厚度tc(0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0 mm)下的應(yīng)力增長,見圖10。
a—1號主要承載構(gòu)件; b—4號主要承載構(gòu)件。圖10 銹蝕后應(yīng)力比Fig.10 Stress ratios in the rusted members
由于鐵塔第①~③段主要承載構(gòu)件中角鋼截面尺寸較大,第④段和第⑤段主要承載構(gòu)件中角鋼截面尺寸較小,鐵塔桿件銹蝕對第④段和第⑤段主要承載構(gòu)件的影響較大,且對主要承載構(gòu)件強度應(yīng)力的影響大于穩(wěn)定應(yīng)力。由圖10可知,當(dāng)鐵塔桿件銹蝕厚度達(dá)到0.3 mm時,1號塔腿的第④段主要承載構(gòu)件穩(wěn)定應(yīng)力最多增加4%,第⑤段主要承載構(gòu)件穩(wěn)定應(yīng)力最多增加6%;4號塔腿的第④段主要承載構(gòu)件的強度應(yīng)力最多增加7%,第⑤段主要承載構(gòu)件的強度應(yīng)力最多增加10%。當(dāng)鐵塔桿件銹蝕厚度達(dá)到1 mm時,1號塔腿的第④段主要承載構(gòu)件穩(wěn)定應(yīng)力最多增加17%,第⑤段主要承載構(gòu)件穩(wěn)定應(yīng)力最多增加23%;4號塔腿的第④段主要承載構(gòu)件的強度應(yīng)力最多增加31%,第⑤段主要承載構(gòu)件的強度應(yīng)力最多增加45%。鐵塔桿件銹蝕會導(dǎo)致以第④段和第⑤段強度破壞為主要的不利工況提早發(fā)生破壞,極大地增加鐵塔的破壞風(fēng)險。
根據(jù)第1節(jié)檢測結(jié)果得知:ZT典型老舊焊接鐵塔的塔腳被混凝土護(hù)臺覆蓋,該塔桿件銹蝕0.3 mm。為此,進(jìn)行了塔腳固接和桿件銹蝕0.3 mm的ZT型老舊焊接鐵塔在正常運行狀況下的安全性分析,以不同風(fēng)速的工況4和工況6為例,研究其破壞模式。圖11的數(shù)據(jù)分析表明:在風(fēng)速達(dá)到18 m/s時,1號主材第②段主要承載構(gòu)件桿件強度驗算達(dá)到221.45 MPa,第④段主要承載構(gòu)件桿件強度驗算達(dá)到223.6 MPa,超過強度設(shè)計值,發(fā)生失穩(wěn)破壞。圖12的數(shù)據(jù)分析表明:在工況6不均勻覆冰情況時,鐵塔1號主要承載構(gòu)件超限嚴(yán)重,第②段主要承載構(gòu)件桿件強度驗算達(dá)到423 MPa,第④段主要承載構(gòu)件桿件強度驗算達(dá)到434 MPa,超過強度設(shè)計值,發(fā)生失穩(wěn)破壞;4號主要承載構(gòu)件第④段主要承載構(gòu)件桿件強度驗算達(dá)到311.75 MPa,超過強度設(shè)計值,發(fā)生受拉破壞。
a—1號主要承載構(gòu)件; b—4號主要承載構(gòu)件。圖11 銹蝕0.3 mm后,工況4下主要承載構(gòu)件應(yīng)力比Fig.11 Stress of the main members in condition 4 after being rusted of 0.3 mm in thickness
圖12 銹蝕0.3 mm后,工況6下主要承載構(gòu)件應(yīng)力比Fig.12 Stress of the main members in condition 6 after being rusted of 0.3 mm in thickness
以某ZT型老舊焊接鐵塔為研究對象,提出了數(shù)字化檢測老舊焊接鐵塔尺寸和缺陷的方法。通過有限元模擬分析了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)改變下和損傷缺陷(混凝土護(hù)臺和銹蝕)對老舊焊接鐵塔的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論:
1)依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),ZT型老舊焊接鐵塔在90°大風(fēng)工況和不均勻覆冰工況下主要承載構(gòu)件各桿件應(yīng)力超限嚴(yán)重。超限位置主要集中于鐵塔第②段和第④段主要承載構(gòu)件,破壞模式主要為失穩(wěn)破壞。
2)在僅考慮混凝土護(hù)臺覆蓋塔腳的情況下,混凝土護(hù)臺改變了鐵塔主要承載構(gòu)件的應(yīng)力分布,破壞區(qū)間由鐵塔下部向中部轉(zhuǎn)移,降低了鐵塔的安全性能。
3)在僅考慮鐵塔桿件銹蝕的影響下,桿件銹蝕增大了桿件應(yīng)力,使得鐵塔更早達(dá)到破壞條件;ZT型老舊焊接鐵塔發(fā)生銹蝕時,對受拉主要承載構(gòu)件影響大于受壓主要承載構(gòu)件,鐵塔中上部主要承載構(gòu)件受到的影響最為嚴(yán)重。
4)在綜合考慮塔腳固接和桿件銹蝕0.3 mm下,該ZT型老舊焊接鐵塔在90°大風(fēng)工況、風(fēng)速達(dá)到18 m/s時,會發(fā)生第②和④段主要承載構(gòu)件的失穩(wěn)破壞。