中波桅杆综合检测与安全评估方法的研究与应用_陈才.pdf

广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期92无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖中波桅杆综合检测与安全评估方法的 研究与应用【摘 要】基于现有最先进的检测技术对某中波桅杆进行全方位检测，通过理论与试验相结合的方式将钢材材质转化为Q235进行后续分析，采用3D3S模型对该桅杆进行结构受力分析后发现：桅杆主体钢构件的最大应力比为0.996；主体最大位移为2157.3mm，远超规范要求；而螺栓和铆钉都有较大的安全冗余度。此次检测分析可为该桅杆后续加固维护提供有效建议，同时也可为此类中波桅杆综合检测及安全性评估提供参考。【关键词】中波桅杆，综合检测，试验，3D3S，钢材材质，安全评估【中图分类号】TU391 【文献标识码】A 【DOI编码】10.16171/ki.rtbe.20230002018【本文献信息】陈才，凌晨博，陈博洋.中波桅杆综合检测与安全评估方法的研究与应用J.广播与电视技术，2023,Vol.50(2).Research and Application of Comprehensive Inspection and Safety Evaluation Method for a Medium Wave MastChen Cai,Ling Chenbo,Chen Boyang(National Inspection and Test Center of Safety and Quality for Tower Engineering,Beijing 100045,China)Abstract Based on the most advanced detection technology available,a medium wave mast is tested in an all-round way.Through the combination of theory and test,the steel material is transformed into Q235 for subsequent analysis.After the structural stress analysis of the mast is carried out by using 3D3S model,it is found that the maximum stress ratio of the main steel member of the mast is 0.996,and the maximum displacement of the main body is 2157.3mm,far exceeding the specification requirements.However,bolts and rivets have greater safety redundancy.This inspection and analysis can provide effective suggestions for the subsequent reinforcement and maintenance of the mast,and also provide reference for the comprehensive inspection and safety evaluation of this kind of such medium wave mast.Keywords Medium wave mast,Comprehensive inspection,Test,3D3S,Steel material,Safety assessment陈才，凌晨博，陈博洋(国家铁塔工程安全质量检验检测中心，北京 100045)0 引言中波作为对国家周边及地区人民进行广播宣传的重要载体之一，我国在建国初期至六、七十年代建设了数以百计的中波桅杆构筑物。随着广播技术的发展，各地中波台的发射机、电源系统、信号源系统等不断进行更新改造，至今仍能够充分满足中波发射技术的需求。但作为天馈线系统中有效载体的桅杆构筑物，随着时间的增长，桅杆塔体在环境侵蚀、材料老化、长期荷载的共同作用下，安全冗余明显降低，部分中波桅杆构筑物已接近或超过现有规范的设计强度或限值，安全性成为日趋完善的天馈线系统最薄弱的环节。1 检测1.1 基本情况介绍某中波桅杆建成于 1918 年，187m 四边角钢组合式截面桅杆，塔体在标高 48.75m、98.16m 和 154.89m 处各设立单层三向拉绳，上、中、下三层拉绳的直径分别为 44mm、32mm和 30mm，同层拉绳拉锚基础位置距塔底中心距离相等，分别为 135m、135m 和 210m，单层三向拉绳水平面夹角 120，其中下、中层拉绳共用一个拉锚基础，如图 1 所示。2020 年12 月，中广建（北京）塔桅安全科技有限公司、国家铁塔工程安全质量监督检验中心受台站业主方委托，对桅杆进行综广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期93Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖合性检测并出具相应的安全性评估报告。根据现场检测数据及相关桅杆资料，塔体主材辅材采用角钢、圆钢钢材料进行螺栓、焊接连接工艺，塔体构件连接形式及标高如表 1 所示。1.2 检测内容考虑到绝缘子及绝缘架近期已进行维护检修，与台站协商后：本次检测不涉及绝缘子与绝缘架的外观质量。检测内容主要包括桅杆钢构件、拉锚基础、拉绳三个主体结构，即对各构配件的材质、规格、外观质量等多项数据进行现场采集，对机械性能、材料性能进行现场样品采样搜集。经现场检测发现：全塔架主材、辅材防腐层开裂、锈蚀严重，其中 48m 以下塔体锈蚀较为严重，如图 2 所示，部分构件有效截面不同程度地降低 1.2mm 1.5mm；全塔铆钉、螺栓锈蚀 严重，有效直径减少 0.6mm 0.8mm；9 条拉绳初拉力均不满足工程设计图纸及规范要求，风化、劣化严重；地锚拉杆锈蚀严重、拉耳节点板构件锈蚀严重。2 试验为了对塔体安全性进行进一步分析，需首先获取其材料力学相关性质的数据。考虑到本桅杆构筑物最初由日本人修建，塔体材料及其力学特性已无从考究。为了准确获取其材料力学相关性质，国家铁塔工程安全质量监督检验中心技术部通过筛选若干可实施方案后，采取两种思路：查询 20 世纪初期日本的钢结构设计采用的相关规范，探究当年钢材标号、钢材性能是如何规定的；通过对塔体材料的取样，参考现行图1 桅杆现场图、3D复原图表1 塔体构件连接形式及标高标高（m）主材截面辅材截面主连接形式塔型0 11.88角钢组合截面 1单角钢铆钉11.88 154.89角钢组合截面 2单角钢铆钉、螺栓154.89 187圆钢圆钢焊接图2 防腐层开裂、脱落，钢构件、拉耳板锈蚀广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期94无线覆盖 Wireless Coverage传输覆盖相关规范及文献，进行实验室分析后获得材料的力学性能。日本现行的相关规范为：JISG3192热轧型钢的尺寸、质量及其允许误差；JISG3101一般结构用轧制钢材。资料显示 JISG3192 规范首版发布于 1954 年，经 1959、1966、1971、1977 等多版修改，修订为现在的版本1；而 JISG3101规范首版发布于昭和 27 年（即 1952 年）2。由于此塔建成时间远早于 1952 年，所以通过现今日本标准溯源的方式比较困难。2.1 试验方式选择目前现行规范及文献对于钢材力学性能的判定有两类方法：破坏性试验和无损检测。常用的无损检测有：表面硬度法（分为里氏硬度、维氏硬度、布氏硬度）、化学分析法和光谱分析法。此次对本天线桅杆材料性质的判别，采用了破坏性试验、无损检测中的里氏硬度法、化学分析法和光谱分析法进行多维度比较。里氏硬度法仪器小，操作便捷，能很好地适应各种复杂的现场环境。但是钢材里氏硬度值和钢材抗拉强度之间的关系，目前并没有相关的规范，只能通过里氏硬度值与维氏硬度值之间的换算，再通过维氏硬度得到抗拉强度。具体步骤需参考 黑色金属硬度及强度换算值 GB/T1172-1999 附录 B，以及金属里氏硬度试验方法 GB/T17394-2014 换算值表。化学成分分析法是根据钢材中主要元素含量估算钢材强度的方法。刘殿忠3采用纯化学成分分析的方法，通过回归方程 b=285+7C+0.06Mn+7.5P+2Si 计算钢材的抗拉强度，式中，C、Mn、P、Si 分别表示钢材中碳、锰、磷和硅元素的含量，以 0.01%为计量单位。方平4通过里氏硬度和化学成分分析相结合的方法，根据出 C、Si、Mn、S 等元素的含量计算出钢材的抗拉强度：y=0.778HLD+655.11C+93.11Si+64.72Mn33.94S，式中 HLD 为里氏回弹值；化学元素以 1%为计量单位。对本次检测中波桅杆杆件进行化学成分分析，其结果如图 3 所示。2.2 结果对比及钢材牌号的确定以上方法对于此次中波塔用钢力学性质的判定，都起到了重要的作用。表 2 为四种方法下钢材抗拉度的比较。通过实验数据可知，用化学成分分析法得出的数据较为稳定，里氏硬度法数据较高，拉伸破坏性试验数据较为保守，综合考虑后桅杆钢材材质采用拉伸破坏试验抗拉强度作为计算依据，结合现行规范及相关材料，将钢材材质转化为常用材质 Q235 进行受力计算分析。3 结构受力分析为了进一步分析该桅杆的受力现状，准确分析该桅杆的内力、稳定性及动力特性，采用结构计算软件 3D3S 建模进行结构非线性核算分析。3.1模型参数根据现场检测实测值进行建模，模型主要包括塔体和拉绳。塔体组合截面主要参数见表 3 所示。拉绳上的绝缘子按实际数量通过荷载形式添加在拉绳上，塔脚及拉绳接地锚点均采用铰接方式。从安全角度考虑，并结合钢材试验结果，塔身钢材材质均选用 Q235；根据现场检测结果并查阅规范5，拉绳材质型号 6X19W+FC，拉绳的初拉力根据图纸设置：第一层 6 吨（60kN）、第二层 6 吨（60kN）、第三层 8 吨（80kN）。表2 四种方法钢构件抗拉强度比较图3 能谱分析试验图钢构件分析方法（Mpa）拉伸破坏性试验里氏硬度法化学成分分析法 1化学成分分析法 2钢材488-529537-597506513-533铆钉501-534/511527-539螺栓465-509/477489-501广播与电视技术 2023年 第50卷 第2期95Wireless Coverage 无线覆盖传输覆盖此桅杆主要考虑恒荷载和风荷载，高耸结构中起主要作用的是风荷载，本塔风荷载按 50 年重现期考虑，基本风压取为 0.45kN/m。风荷载分别设置 x、y 和-y 三个方向，恒荷载和风荷载的分项系数分别为 1.3 和 1.5，组合系数均取 1.0 进行考虑。3.2 计算结果3.2.1 主体钢构件计算结果该模型采用 3D 杆单元模拟各个受力杆件，将整个天线桅杆分为 1144 个单元和 551 个节点。承载能力状态下，杆件应力比分布如图 4 所示，计算结果显示，桅杆主体钢构件的最大应力比为 0.996，水平位移值大于限值，不满足规范要求。结果表明，塔架最大位移出现在第三层拉线以上 1.1m 位置处（高度 155.99m），最大位移为 2157.3mm。该塔段塔柱之间没有辅杆连接导致其刚度过低是造成该处位移最大的根本原因。关于塔桅结构正常使用极限状态下的位移限值，钢塔桅结构设计规范GY5001-20046在第 4.3.1 条要求：塔架结构部分在任意高度处的水平位移不宜超过其所在高度的1%。显然，本塔的位移限制已远远超过了规范要求，因此，在后期的加固处理中应重点关注。通过提取计算模型中主材及辅材螺栓和铆钉的计算结果，将螺栓和铆钉的模型中计算值与设计值进行比对后统计，结果如图 5 所示。表3 组合截面参数角钢组合截面面积/mm2惯性矩/mm4回转半径/mm抵抗矩/mm3I1I2I3 i2i3W2W31147036.01063.71073.71075