本發(fā)明涉及電力工程領域，尤其涉及一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，主要適用于對輸電鐵塔整體剩余壽命進行評估。

背景技術：

近年來隨著國民經濟快速、穩(wěn)步地增長，我國電力工業(yè)進入了快速發(fā)展的階段，其中高壓和超高壓輸電線路已成為我國電力工程中最重要的生命線，它們的建成和使用，標志著我國電力工業(yè)已經擁有較高的技術水平。電力輸送網絡承擔著全國電力傳輸的任務，其中輸電鐵塔的安全可靠運行對于保證整個電力可靠輸送至關重要，作為輸電線路的主要組成部分，輸電鐵塔結構是輸電線路中最重要的電力工程設施，是輸電線路正常運行的基本保障，因此，輸電鐵塔結構的安全性關系著整個輸電線路?？山陙磔旊婅F塔結構倒塌事件卻頻繁發(fā)生，這不僅會影響電力的正常輸送，更會給國家建設帶來巨大的經濟損失，所以輸電鐵塔結構的使用安全應倍受關注，只有保證輸電鐵塔結構安全正常的使用，才能得以保障輸電線路正常運行，避免鐵塔倒塌事故再次發(fā)生。

對于輸電鐵塔結構而言，因其長期暴露在自然環(huán)境中，所以除去結構自重和風荷載外，還會受到雨、雪、潮濕大氣、工業(yè)大氣、溫度及風振乃至地震等作用，這些內因或者外因均會對輸電鐵塔結構的使用產生影響。當這些因素長期作用于輸電鐵塔，會使得鐵塔構件腐蝕破損、承載能力下降，縮短或者終止輸電塔的使用時間。除去無法預測的惡劣的天氣的影響，比如罕見的大風或者暴雪天氣，這種環(huán)境會對輸電鐵塔結構造成嚴重性變形或者破壞性倒塌，直接終止輸電鐵塔結構的使用；而其他正常因素的作用，比如腐蝕造成的構件截面削弱、斷裂，以及構件材性變化等，也會影響輸電鐵塔的使用。這些因素的影響會使輸電鐵塔結構的安全性、可靠性存在不同程度的降低，嚴重影響鐵塔的使用壽命。出于鐵塔能安全運行的考慮，可以對正常因素對鐵塔結構的影響進行預測或者控制，通過對其檢測評估，并采取及時合理的措施，確保輸電鐵塔的正常使用，減少輸電鐵塔破壞或者倒塌事件發(fā)生的概率。

從上面分析來看，輸電鐵塔結構總會有一個使用壽命的限值，正常情況下鐵塔的使用壽命指的是鐵塔結構從建塔開始，到鐵塔破壞或不適于繼續(xù)承載和使用的時間過程。相應的，鐵塔的剩余使用壽命為：從實際檢測鐵塔數據開始到鐵塔破壞或者不適于繼續(xù)承載使用所經歷的時間。若不考慮非正常因素的影響，只在正常因素作用下評估鐵塔的剩余使用壽命，那么對現有鐵塔結構的腐蝕情況進行檢測，研究輸電鐵塔結構在實際服役條件下的腐蝕現狀和預估腐蝕發(fā)展趨勢就顯得很有必要。以正常工況為前提來推算輸電鐵塔的剩余使用年限，對輸電鐵塔的使用壽命作出宏觀評估，這樣不僅能夠及時對輸電鐵塔進行維修和改造，而且能夠減少鐵塔倒塌事故的發(fā)生，防范于未然。因此，以科學、實用的方法對輸電鐵塔結構的剩余使用壽命進行評估，可以從一定程度上減小輸電鐵塔結構破壞或者倒塌事件發(fā)生的概率，對于提高我國輸電塔線路安全等級、降低國家經濟損失具有非常重要的作用，具有很明顯的社會效益和經濟效益。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是克服現有技術中存在的不能對輸電鐵塔整體剩余壽命進行評估的缺陷與問題，提供一種能對輸電鐵塔整體剩余壽命進行評估的基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法。

為實現以上目的，本發(fā)明的技術解決方案是：一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，該評估方法包括以下步驟：

a、通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim；

b、根據公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達到失效腐蝕厚度δ_lim時的服役時間t_max，式(1)中，A、n為常數；

c、根據公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達到當前腐蝕厚度δ₀時的服役時間t₀，式(1)中，A、n為常數，當前腐蝕厚度δ₀通過實際檢測得出；

d、根據公式N_t＝t_max-t₀(2)計算出輸電鐵塔的剩余使用壽命N_t。

步驟a中，所述通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim是指：

首先，建立不同幾何長細比λ的輸電鐵塔模型，采用有限元分析軟件ANSYS分析得出輸電鐵塔受削弱后的極限穩(wěn)定荷載P_u；

其次，根據公式計算腐蝕后輸電鐵塔的穩(wěn)定荷載的折減率ξ₁，式(3)中，P_u0為輸電鐵塔完好時的極限穩(wěn)定荷載；

最后，根據上述計算結果，分別繪制出折減率ξ₁隨正則化長細比λ_n的變化規(guī)律圖和折減率ξ₁隨腐蝕厚度δ的變化規(guī)律圖，并通過兩種變化規(guī)律圖得出輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim，其中，通過將幾何長細比λ替換為正則化長細比λ_n，式(4)中，E為輸電鐵塔的彈性模量，f_y為輸電鐵塔的屈服強度。

步驟b與步驟c中，所述A表示輸電鐵塔第一年的腐蝕率，A的數值根據公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)進行計算，式(5)中，X(i)為輸電鐵塔的化學成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，A(0)、A(i)的數值均通過直觀定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲?。?/p>

所述n表示腐蝕的發(fā)展趨勢，n的數值根據公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)進行計算，式(6)中，X(i)為輸電鐵塔的化學成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，n(0)、n(i)的數值均通過直觀定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲取。

步驟b與步驟c中，所述A的數值為0.02毫米～0.1毫米，所述n的數值為0.3～1.89。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

1、由于本發(fā)明一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法中通過冪函數腐蝕模型對輸電鐵塔整體剩余壽命進行評估，解決了既有研究只針對輸電鐵塔某一部件或只針對特定荷載情況下剩余壽命評估的問題。因此，本發(fā)明能對輸電鐵塔整體剩余壽命進行評估。

2、由于本發(fā)明一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法中采用冪函數腐蝕模型評估的結果與暴露試驗值的結果最為吻合，可為大多數地區(qū)的大氣腐蝕模型提供參考，且由于該方法簡單，涉及參數少，所需進行的研究工作量大大減少，實際工程中，只需測量當前輸電鐵塔的腐蝕深度即可，實用性強。因此，本發(fā)明不僅準確度高、適用范圍廣，而且操作簡便、成本低、實用性強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中有限元計算模型圖。

圖2是圖1的細部處理圖。

圖3是本發(fā)明中折減率ξ₁隨正則化長細比λ_n的變化規(guī)律圖。

圖4是本發(fā)明中折減率ξ₁隨腐蝕厚度δ的變化規(guī)律圖。

圖5是本發(fā)明中電化學腐蝕的孔蝕示意圖。

圖6是本發(fā)明中碳鋼、低合金鋼大氣腐蝕示意圖。

圖7是本發(fā)明中三階段腐蝕模型的腐蝕過程示意圖。

圖5中，1代表沉積物，2代表金屬構件，3代表腐蝕產物圖。

具體實施方式

以下結合附圖說明和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

參見圖1至圖4，一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，該評估方法包括以下步驟：

a、通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim；

b、根據公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達到失效腐蝕厚度δ_lim時的服役時間t_max，式(1)中，A、n為常數；

c、根據公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達到當前腐蝕厚度δ₀時的服役時間t₀，式(1)中，A、n為常數，當前腐蝕厚度δ₀通過實際檢測得出；

d、根據公式N_t＝t_max-t₀(2)計算出輸電鐵塔的剩余使用壽命N_t。

步驟a中，所述通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim是指：

首先，建立不同幾何長細比λ的輸電鐵塔模型，采用有限元分析軟件ANSYS分析得出輸電鐵塔受削弱后的極限穩(wěn)定荷載P_u；

其次，根據公式計算腐蝕后輸電鐵塔的穩(wěn)定荷載的折減率ξ₁，式(3)中，P_u0為輸電鐵塔完好時的極限穩(wěn)定荷載；

最后，根據上述計算結果，分別繪制出折減率ξ₁隨正則化長細比λ_n的變化規(guī)律圖和折減率ξ₁隨腐蝕厚度δ的變化規(guī)律圖，并通過兩種變化規(guī)律圖得出輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim，其中，通過將幾何長細比λ替換為正則化長細比λ_n，式(4)中，E為輸電鐵塔的彈性模量，f_y為輸電鐵塔的屈服強度。

步驟b與步驟c中，所述A表示輸電鐵塔第一年的腐蝕率，A的數值根據公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)進行計算，式(5)中，X(i)為輸電鐵塔的化學成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，A(0)、A(i)的數值均通過直觀定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲取；

所述n表示腐蝕的發(fā)展趨勢，n的數值根據公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)進行計算，式(6)中，X(i)為輸電鐵塔的化學成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，n(0)、n(i)的數值均通過直觀定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲取。

步驟b與步驟c中，所述A的數值為0.02毫米～0.1毫米，所述n的數值為0.3～1.89。

本發(fā)明的原理說明如下：

1、當前輸電鐵塔腐蝕破壞形式分析

我國現有的輸電線路大多跨越距離長、所處環(huán)境復雜，與此同時，存在大量運行時間達20～30年甚至更長的老舊線路，這使得我國輸電鐵塔均存在不同程度的腐蝕，按腐蝕類型可分為：(1)電化學腐蝕。鐵塔構件電化學腐蝕主要為析氫腐蝕、吸氧腐蝕、鈍化及孔蝕。析氫腐蝕及吸氧腐蝕均使鐵塔構件發(fā)生了氧化還原反應，造成鐵塔構件成分變化及截面削弱。鈍化是某些活潑金屬或其合金陽極過程受到阻滯而產生的高耐蝕狀態(tài)，復雜環(huán)境下的鐵塔構件鈍化將會對構件承載力造成極大折減?？孜g(如圖5所示)是一種外觀隱蔽而破壞性大的局部腐蝕，又稱點蝕。它通常發(fā)生在易鈍化金屬或合金中，往往同時有侵蝕性陰離子(如Cl^-)與氧化劑共存。它從金屬表面開始，最后形成通常被腐蝕產物覆蓋的凹坑，造成鐵塔構件截面劇烈削弱。(2)大氣腐蝕。通常，受到污染的大氣中往往含有水汽、SO₂、NH₃和NO₂等氣體雜質及各種懸浮顆粒和灰塵，重慶地區(qū)實際大氣組成就與此相似。在這種潮濕的、強烈污染的工業(yè)大氣中，金屬很容易發(fā)生大氣腐蝕，金屬的表面會形成液膜層，由于這種含飽和氧的電解液膜的存在，使得大氣電化學腐蝕中的氧去極化過程會變得易于進行；另一方面，大氣腐蝕的陽極過程會受到極大的阻滯。陽極鈍化及金屬離子水化過程的困難是造成陽極極化的主要原因。在薄液膜層下，腐蝕微電池的電阻顯著增大，微電池作用范圍變小。因此，大氣腐蝕的腐蝕形態(tài)較海水或土壤腐蝕更為均勻。但在干濕條件下，腐蝕層將發(fā)生滲透、交叉化學反應，加速鐵塔構件腐蝕，致使截面發(fā)生斷裂破壞。通過上述腐蝕類型分析可知，我國輸電鐵塔絕大部分均暴露于復雜大氣環(huán)境中，且受到電化學腐蝕嚴重，若不及時對其腐蝕狀況進行評估和處理，任由其腐蝕持續(xù)發(fā)展，會對輸電線路的安全運行造成極大隱患。因此，采用科學、合理且有效的腐蝕模型對評估鐵塔的剩余使用壽命具有十分重要的意義。

2、現有腐蝕模型及其局限性

經過多年來的大量試驗研究和理論分析，逐漸形成較為主流的幾種鋼材腐蝕模型。對于一般沒有嚴重污染物的大氣環(huán)境，具有腐蝕保護系統(tǒng)的鋼的腐蝕過程如圖6所示，分為三個階段：

1)無腐蝕階段，t∈[0，T_st]；

2)快速腐蝕階段，t∈[T_st，T_A]；

3)腐蝕減緩階段，t∈[T_A，T_L]。

其中，T_st是腐蝕開始的時間，提前于腐蝕保護系統(tǒng)完全失效時間T_cl，但為簡便起見，設T_st＝T_cl，T_A是快速腐蝕到腐蝕減緩階段的轉折的時間點，T_L代表結構的使用壽命和維修周期。

腐蝕開始后由于剛生成的銹層比較疏松，不能有效阻止腐蝕介質的擴散，所以出現一個快速腐蝕的過程隨著銹層致密層逐漸生長，腐蝕過程受到阻滯，腐蝕速率也開始逐漸變慢。腐蝕的過程比較復雜，其類型較多，影響腐蝕的因素也很多，不同地域可能差別明顯，所以腐蝕模型應根據鋼種在當地的大氣腐蝕數據來選擇確定，才能較好反映實際情況。以下為現有的幾種腐蝕模型。

(1)冪函數模型

碳鋼和低合金鋼的大氣腐蝕速率較大，暴露幾天即布滿黃銹，隨著時間的延長，銹蝕不斷發(fā)展。通過對腐蝕結果的回歸分析，證明其大氣腐蝕發(fā)展遵循冪函數規(guī)律，如式(1-1)所示：

δ＝Atⁿ(1-1)

式(1-1)中：δ為腐蝕深度；t為暴露時間；A，n為常數參數，與輸電鐵塔所在環(huán)境的大氣條件及氣候情況密切相關。

(2)灰色GM(1,1)模型

GM(1,1)模型的建模過程中，對原始數列X⁽⁰⁾>＝{x₁,x₂,…,x_n}進行累加生成，并按照灰色理論的有關假設和規(guī)定，利用微分方程表達其動態(tài)特性、構造矩陣、估計參數得到時間響應方程：

式中：是原始數列(平均腐蝕失重或者平均腐蝕深度)的第一個值；是累加生成的數列的第(k+1)個估計值；a稱為發(fā)展系數，反映的發(fā)展態(tài)勢；u稱為灰色作用量，它的大小反映數據的變化關系，在系統(tǒng)中相當于作用量。還原數列即可得預測值，其中

GM(1,1)方法屬于軟科學方法中的灰色理論，對數據的適用性較好，但模型的建立過程相對復雜。

(3)考慮大氣成分的腐蝕模型

式(1-4)中，C是平均失重(g/m²)；Cl^-是氯離子的濃度(mg/m²)；SO₂是硫化物的濃度(mg/m²)；t_rain和mm是降雨的時間和毫米數；τ_5-25和τ_25-35是溫度分別在5-25和25-35攝氏度、相對濕度(RH>80％)的時間；a，b，c，d，e，f，g，h為待定系數。

該模型是根據腐蝕機理，結合腐蝕數據而建立的，考慮了影響腐蝕的諸多因素。上式為通式，不同環(huán)境下可以根據實際數據略去一些對C貢獻小的項。

(4)三階段的腐蝕模型

有研究表明腐蝕過程開始后可以分為三個階段，如圖7所示，第一階段是快速腐蝕階段，第二、三階段是腐蝕減緩階段分為前期和后期每個階段應該采用不同的腐蝕模型。

第一階段，時間范圍約為0～1年，以線性規(guī)律來描述：

y＝a·t(1-5)

式(1-5)中，y為平均腐蝕深度，t為腐蝕時間(以下都用此符號表示)，a為待定系數。

第二階段，時間范圍約為1～8年，以拋物線規(guī)律描述：

y²＝k·t+c(1-6)

由于腐蝕過程的復雜性，平方拋物線規(guī)律寫成如下的通式:

yⁿ＝k·t+c(1-7)

式(1-7)中，n>0，不一定是整數，為了實用，簡化為：

y＝At²+Bt+C(1-8)

式(1-8)中，k、c、K、A、B、C為待定系數。

第三階段，時間范圍約為8年以后，同樣用線性規(guī)律描述，只是腐蝕速度很緩慢，斜率較小。

上述(2)至(4)所述的三種腐蝕模型都有其局限性：灰色系統(tǒng)的GM(1,1)模型，要求各處理點的試驗時間間隔相等，而我國大氣腐蝕網站所提供的碳鋼及低合金鋼的材料數據腐蝕數據時間為1年、2年、4年、8年，時間間隔不相等，因此它的應用有一定的局限性；考慮大氣成分的腐蝕模型從腐蝕原理出發(fā)，有利于腐蝕的實驗研究，但是目前在國內還沒有相關文獻進行研究對比，且此模型需要的已知因素較多，公式中待定參數也較多，實際工程中使用存在很大困難；分三階段的腐蝕模型則結合我國多個地區(qū)碳鋼的8年、16年的腐蝕數據擬合，在目前腐蝕模型中腐蝕數據較為全面，模型使用范圍較廣，但是模型各個階段適用年限有一定的限制，并且第二階段公式簡化會使得模型效果與實際腐蝕情況產生誤差，所以該模型在本工程中的應用還有待展開進一步研究。因此，若基于以上三種模型建立輸電鐵塔剩余壽命評估計算方法，不僅會減緩研究進程，也將極大地限制評估方法的使用范圍。

3、基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法的創(chuàng)新性說明

因銹蝕而導致鐵塔構件截面削弱，引起構件和整塔的剛度變小，由此導致的鐵塔破壞過程是循序漸進、有律可循的，目前的腐蝕模型研究成果也印證了這一點。對比幾種腐蝕模型，冪函數形式的模型與以上三種模型相比，其表達形式簡單，且多年來國內學者對大氣腐蝕模型的大量研究表明，冪函數模型具有更好的實用性，更能遵循鋼材在大氣中腐蝕的發(fā)展規(guī)律。國內有關學者通過對7個不同地區(qū)17種鋼材進行的16年腐蝕檢測工作中發(fā)現，冪函數模型預測的結果與暴露試驗值的結果較為吻合，可為大多數地區(qū)的大氣腐蝕模型提供參考，且由于其形式簡單，待定參數少，所需進行的研究工作大大減少。因此，本設計的評估方法將采用如式(1-1)所示的冪函數形式模型，即：

δ＝Atⁿ(1-1)

式中：δ為腐蝕深度；t為暴露時間；A，n為常數參數，與輸電鐵塔所在環(huán)境的大氣條件及氣候情況密切相關。

目前，針對鐵塔壽命的研究主要包括疲勞壽命、基礎耐久性壽命預測和風荷載作用下剩余壽命計算。疲勞壽命、基礎耐久性壽命預測既有研究均只針對鐵塔的某一部件開展，無法擴展到鐵塔整體結構，亦無法獲得相關計算方法；而風荷載作用下剩余壽命計算，雖有可用計算方法，但其只針對特定荷載，對一般工作環(huán)境下的服役鐵塔并不適用。本評估計算方法首次提出對鐵塔整體剩余壽命進行預測，實現了鐵塔整體剩余壽命研究領域從無到有的突破，極具建設意義。由陸國威2012年發(fā)表于《建材技術與應用》(2012,09:32-33)文章《輸電鐵塔風荷載作用下剩余壽命的計算方法》的分析中可看出，風荷載作用下剩余壽命計算，振型疊加時所需參數繁多，且需通過有限元分析大量構件才能判定控制界面，計算過程過于復雜，不具普適性。本評估方法所采用的計算模型參數少，計算簡便。在實際工程易于操作，僅需測量輸電鐵塔腐蝕深度即可進行相應計算，實用性強。

4、冪函數腐蝕模型分析

冪函數模型對鋼材進行全過程大氣腐蝕擬合時雖具有一定誤差，但冪函數模型是目前使用較為成熟的一種模擬模型，且使用較為方便。相關科研院所在我國進行了17種鋼7個試驗點的16年大氣暴露腐蝕試驗，試驗點的環(huán)境包括了亞熱帶、溫帶、工業(yè)性、海洋性、干燥環(huán)境及濕熱環(huán)境等各種典型環(huán)境。為了分析各種因素對鋼的腐蝕作用，試驗過程中試用了幾種常用的統(tǒng)計方法來建立鋼的大氣腐蝕預測模型，經過對比比較，最終采用了可以得到直觀定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法，實驗數據表明利用冪函數模型預測鋼材大氣腐蝕量與實際腐蝕深度值吻合程度較高。

A值相當于第一年的腐蝕率，其數值在0.02mm～0.10mm的范圍內變化，A的取值主要與環(huán)境有關，隨污染程度而增加。此外，A值也與鋼種也有關，隨合金含量增加而降低，但差別不大。n值表征腐蝕的發(fā)展趨勢，n值隨鋼種和環(huán)境變化極大，其取值最低可以到0.3，最高可達1.89，在一般環(huán)境中n值為0.4～0.8，即一般大氣腐蝕是一個收斂過程。鋼的大氣腐蝕的動態(tài)參數A值和n值被用來作為因變量，環(huán)境因素及鋼的化學元素含量作為變量，即：

A＝A(0)+∑A(i)X(i) (2-1)

n＝n(0)+∑n(i)X(i) (2-2)

式(2-1)、(2-2)中：A(i)和n(i)是因子i的系數，X(i)是因子i的數值。當因子是鋼的化學成分時，X(i)為鋼的化學成分百分比含量。當因子是環(huán)境因素時，X(i)為環(huán)境因子的平均或累積量，如平均溫度。同時，因子也可以是某個因素的乘方或某幾個因素的乘積。實際應用中，采用可以得到直觀定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法，獲取A(0)，n(0)，A(i)和n(i)等各項參數。

上式描述了腐蝕時間函數與各影響因素之間的數學關系。然而，對于各項因素及其系數的具體取值，因涉及地理空間廣闊、時間久遠，目前尚無進行充分研究。因此，在實際工程中，往往通過對銹蝕程度的長期觀測，積累出不同的(δ，t)二維時空坐標點，然后利用大量的數據點，對腐蝕公式(δ＝Atⁿ)進行擬合，以得到實際鋼結構在未來的腐蝕規(guī)律，并對其剩余使用年限進行預測。

5、臨界腐蝕厚度的確定

現行服役鐵塔，各部分所采用的構件常為單角鋼或格構式角鋼構件。這些構件的結構形式，均為經過充分研究的成熟結構形式，其中絕大部分構件承載力在銹蝕下的變化，可通過成熟的理論進行計算。鑒于構件所存在的問題，本設計以四肢組合“十字”型格構壓桿為例，采用有限元法，研究在不同腐蝕程度作用下對構件穩(wěn)定系數與承載力的影響，以及腐蝕對承載力的折減程度，最終確定構件的臨界腐蝕厚度，為評估鐵塔的剩余使用壽命提供數據支撐。

為充分研究鋼材腐蝕對組合構件的影響，可建立具有不同長細比λ(20～250，間隔5)的構件模型。模型中考慮節(jié)點板削弱厚度范圍δ由0.1mm增至1.0mm，每隔0.1mm計算一組模型，并將削弱后的節(jié)點力學性能與完好節(jié)點進行對比，研究跨越塔構件的力學性能因腐蝕而產生的變化施加約束和荷載，采用非線性求解方法，求解模型的極限穩(wěn)定荷載P_u，其中，有限元計算模型圖和細部處理圖分別為圖1和圖2。

為充分研究構件承載力的變化，按式(2-3)計算腐蝕后構件穩(wěn)定承載力的折減率ξ₁：

式(2-3)中，P_u為構件受削弱后的極限穩(wěn)定承載力，P_u0為完好構件的極限穩(wěn)定承載力。

根據計算結果并分別繪制出承載能力折減率隨長細比和腐蝕厚度的變化規(guī)律圖，如圖3、圖4所示。其中，圖3中橫坐標采用正則化長細比λ_n代替幾何長細比λ，替換過程按式(2-4)，其中，進行E為輸電鐵塔的彈性模量，f_y為輸電鐵塔的屈服強度；

從圖3可以看出：“十字”型角鋼組合構件的穩(wěn)定承載力折減率ξ₁，受長細比λ影響不大。由圖4可以明顯看出：ξ₁對腐蝕厚度δ較為敏感，且ξ₁與δ成線性正相關關系；在δ不大于1.0mm時，穩(wěn)定承載力折減率ξ₁均不超過5％。對于厚度為24mm的角鋼構件而言，若腐蝕達到1％，其強度下降約為1％。而若角鋼構件雙面腐蝕各達5％(截面削弱1mm)，該構件將不能維持繼續(xù)使用，由此可認為腐蝕程度的限值δ_lim為5％。鐵塔構件被腐蝕后，其厚度會因腐蝕而不斷減小，當構件厚度因削弱達到臨界厚度δ_lim時，構件達到極限承載力。結合ANSYS分析的構件的腐蝕臨界限值δ_lim，運用冪函數模型可以準確地對鐵塔的剩余壽命進行評估。

綜上，基于腐蝕模型的輸電鐵剩余壽命評估計算方法，是以科學、合理且較為準確的腐蝕模型為基礎，采用有限元法確定其臨界腐蝕深度，再通過檢測獲得當前構件實際腐蝕深度，最后將其當前腐蝕深度和臨界腐蝕深度帶入腐蝕模型，計算鐵塔的剩余使用壽命的評估方法?；诟g模型的輸電鐵剩余壽命評估計算方法，具有如下技術創(chuàng)新點與優(yōu)勢：(1)本設計提出了一種基于冪函數腐蝕模型的鐵塔剩余使用壽命實用評估方法，彌補鐵塔剩余壽命研究領域針對鐵塔整體剩余壽命研究空缺，開啟了鐵塔整體剩余壽命研究新紀元；(2)本設計通過有限元數值仿真分析發(fā)現：鐵塔的穩(wěn)定承載力折減率ξ₁，受長細比λ影響不大，但對腐蝕厚度δ較為敏感，且ξ₁與δ成線性正相關關系；在δ不大于1.0mm時，穩(wěn)定承載力折減率ξ₁不超過5％?；诖私Y果，提出的基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，具有堅實的理論基礎；(3)鐵塔結構從開始腐蝕到喪失繼續(xù)承載或使用的能力的過程中，總會存在一個腐蝕厚度臨界限值δ_lim。本設計通過對既有鐵塔腐蝕數據資料進行回歸分析，輔以有限元分析軟件ANSYS仿真建模分析，求解出δ_lim數值。根據有限元模擬結果，當角鋼構件雙面腐蝕各達5％(截面削弱1mm)，該構件將不能繼續(xù)使用，由此可認為腐蝕程度的限值δ_lim為5％。這一結論可作為工程中快速判定構件失效的依據，簡化工序、提高效率，極具指導意義；(4)大量的工程統(tǒng)計分析資料均顯示，相比于其他模型，本設計所采用的冪函數模型具有模擬腐蝕結果與鋼材實際腐蝕情況吻合度高的明顯優(yōu)勢，且冪函數模型待定參數少，便于實際工程運用，特別是當評估樣本量較大時，本方法可實現快速、批量、高效、準確地評估，具有普遍適用性。

實施例：

一種基于腐蝕模型的輸電鐵塔剩余壽命評估方法，以華中地區(qū)已使用了29年的某跨越輸電鐵塔為研究對象，該評估方法包括以下步驟：

a、通過有限元模型的建模分析，確定輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim；

首先，如圖1、圖2所示，建立不同幾何長細比λ(20～250，間隔5)的輸電鐵塔模型，模型中考慮節(jié)點板削弱厚度范圍δ由0.1mm增至1.0mm，每隔0.1mm計算一組模型，并將削弱后的節(jié)點力學性能與完好節(jié)點進行對比，研究跨越輸電鐵塔的力學性能因腐蝕而產生的變化施加約束和荷載，采用非線性求解方法，得出輸電鐵塔受削弱后的極限穩(wěn)定荷載P_u；

其次，根據公式計算腐蝕后輸電鐵塔的穩(wěn)定荷載的折減率ξ₁，式(3)中，P_u0為輸電鐵塔完好時的極限穩(wěn)定荷載；

最后，根據上述計算結果，分別繪制出折減率ξ₁隨正則化長細比λ_n的變化規(guī)律圖(圖3)和折減率ξ₁隨腐蝕厚度δ的變化規(guī)律圖(圖4)，并通過兩種變化規(guī)律圖得出輸電鐵塔的失效腐蝕厚度δ_lim，其中，通過將幾何長細比λ替換為正則化長細比λ_n，式(4)中，E為輸電鐵塔的彈性模量，f_y為輸電鐵塔的屈服強度；通過有限元法分析得到角鋼構件雙面腐蝕各達5％，該構件將不能維持繼續(xù)使用，即構件達到腐蝕程度限值δ_lim，該輸電鐵塔采用等邊角鋼∟180×20，當腐蝕程度達到δ_lim＝5％時，即失效腐蝕厚度δ_lim＝1.0mm；

b、根據公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達到失效腐蝕厚度δ_lim時的服役時間t_max，式(1)中，A、n為常數，所述A表示輸電鐵塔第一年的腐蝕率，A的數值為0.02毫米～0.1毫米，具體A的數值根據公式A＝A(0)+∑A(i)X(i)(5)進行計算，式(5)中，X(i)為輸電鐵塔的化學成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，A(0)、A(i)的數值均通過直觀定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲取；所述n表示腐蝕的發(fā)展趨勢，n的數值為0.3～1.89，具體n的數值根據公式n＝n(0)+∑n(i)X(i)(6)進行計算，式(6)中，X(i)為輸電鐵塔的化學成分百分比含量或者環(huán)境的平均溫度，n(0)、n(i)的數值均通過直觀定量結果的多元逐步回歸統(tǒng)計方法獲??；針對本設計的研究對象，取A＝0.055，n＝0.73，然后，將失效腐蝕厚度δ_lim＝1.0mm帶入式(1)，計算得到t_max＝53.15；

c、根據公式δ＝Atⁿ(1)計算出輸電鐵塔達到當前腐蝕厚度δ₀時的服役時間t₀，式(1)中，A＝0.055，n＝0.73(A、n的取值理由同步驟b)，實際檢測輸電鐵塔當前腐蝕厚度δ₀＝0.74mm，將當前腐蝕厚度δ₀＝0.74帶入式(1)，計算得到t₀＝35.19；

d、根據公式N_t＝t_max-t₀(2)計算出僅考慮腐蝕速率影響時輸電鐵塔的剩余使用壽命N_t：

N_t＝t_max-t₀＝53.15-35.19＝17.96

因此，對于此輸電鐵塔，若今后不進行任何維護措施，按照當前運行狀況，其剩余使用年限僅為17.96年。

當輸電鐵塔環(huán)境比較惡劣時，鐵塔構件厚度削弱量會變大。但鑒于以往檢測結果，常規(guī)自然環(huán)境下，鐵塔的腐蝕深度一般不會超過1mm。對于非常規(guī)自然環(huán)境下，若其腐蝕深度超過1mm時，應根據當地氣候環(huán)境進行腐蝕模擬試驗，通過對腐蝕數據的回歸分析，將腐蝕模型中的參數A、n進行相應修正，以獲得更準確的評估結果。