模塊化裝配式電纜溝的開(kāi)發(fā)與研究

張錦文，余英偉，黃 鑫，嚴(yán)貴芳，孫安君，柴 明，王小平，周林濤，程春英

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司咸寧供電公司,咸寧 437199;2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,武漢 430070; 3.湖北別一閣鋼結(jié)構(gòu)科技開(kāi)發(fā)有限公司,武漢 430070)

電纜溝是電廠、變電站、換流站等電力工程項(xiàng)目中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性設(shè)施,其建造成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本直接影響項(xiàng)目的全壽命周期成本。目前電纜溝制作形式有三種:磚砌電纜溝、現(xiàn)澆混凝土電纜溝、預(yù)制裝配式混凝土電纜溝。前兩者由于現(xiàn)場(chǎng)施工工期長(zhǎng)、濕作業(yè)多，易受低溫陰雨天氣影響等原因已很難滿(mǎn)足新型變電站施工的需要，也不符合國(guó)家建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化(即工業(yè)化生產(chǎn)、裝配式施工)的發(fā)展方向。預(yù)制電纜溝替代現(xiàn)場(chǎng)施工電纜溝已成為必然的趨勢(shì)。但裝配式電纜溝存在前期綜合成本較高、結(jié)構(gòu)自重大、安裝效率低、運(yùn)輸?shù)跹b難度大等不足。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一方面對(duì)預(yù)制電纜溝進(jìn)行試驗(yàn)和理論分析，另一方面針對(duì)預(yù)制裝配式電纜溝的不足，提出解決方案和新的模型，并依托實(shí)際工程檢驗(yàn)其合理性。

劉飛[1]認(rèn)為在當(dāng)前我國(guó)大力發(fā)展建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化及全面推進(jìn)城市綜合管廊建設(shè)的新形勢(shì)下，電力基建項(xiàng)目中裝配式施工發(fā)展優(yōu)勢(shì)十分明顯，如裝配式電纜溝工程，現(xiàn)場(chǎng)施工便捷、質(zhì)量可靠、施工對(duì)環(huán)境影響較小，因此，裝配式混凝土電纜溝應(yīng)用在電力基建中有顯著效益和廣闊應(yīng)用前景。

Canto-Perello J[2]指出綜合管廊的設(shè)計(jì)必須滿(mǎn)足以下要求：管廊的斷面必須滿(mǎn)足各類(lèi)管線的安裝要求；要預(yù)留足夠的空間以滿(mǎn)足城市發(fā)展的需要；在管廊的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該充分考慮人的因素，必須滿(mǎn)足工人維修養(yǎng)護(hù)對(duì)操作空間的要求。

張棟輝在文獻(xiàn)[3]中指出：預(yù)制式電纜溝可根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸要求制模，進(jìn)行工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，綠色環(huán)保、低能耗、低碳排放，且質(zhì)量易于保證，施工階段采用機(jī)械化安裝，工期短，同時(shí)免去大量支、拆模板的手工勞動(dòng)，極大降低了施工現(xiàn)場(chǎng)的工作量。

隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)“兩型一化”要求的提出，采用預(yù)制電纜溝替代傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)施工電纜溝已經(jīng)成為趨勢(shì)，但目前預(yù)制電纜溝的推廣應(yīng)用存在一定的阻力。

周鯤[4]通過(guò)針對(duì)性的改進(jìn)研究，提出了一種新型混凝土預(yù)制電纜溝的合理方案。

呂航[5]認(rèn)為安裝速度較快、施工周期較短等優(yōu)點(diǎn)是目前預(yù)制式 U 型混凝土電纜溝較為常用的主要原因。為使預(yù)制式 U 型混凝土電纜溝能夠盡快投入使用，施工單位應(yīng)該科學(xué)合理的按照工序進(jìn)行施工，提高效率，節(jié)約時(shí)間。

周秋鵬[6]從預(yù)裝式U型電纜溝的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性?xún)煞矫娣治隽祟A(yù)裝式U型電纜溝的特點(diǎn)。通過(guò)與現(xiàn)澆混凝土電纜溝進(jìn)行對(duì)比分析，證明采用預(yù)裝式U型電纜溝可以有效降低現(xiàn)場(chǎng)工作量和施工周期，解決傳統(tǒng)施工方法存在的問(wèn)題，為變電站進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、加工工廠化、安裝機(jī)械化、施工專(zhuān)業(yè)化”建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

該文以湖北咸寧地區(qū)某110 kV變電站工程為依托，開(kāi)發(fā)了一種新型模塊化裝配式混凝土電纜溝，并采用ABAQUS軟件對(duì)其進(jìn)行了不同荷載工況下的有限元分析，為這種新型電纜溝的應(yīng)用提供參考。

1 新型模塊化裝配式電纜溝

該文開(kāi)發(fā)的新型模塊化裝配式電纜溝由溝枕、U形溝和蓋板三部分組成，如圖1所示。U形溝擱置在兩端的溝枕上，并通過(guò)螺栓與溝枕連接。蓋板則直接鋪設(shè)在U形溝上。U形溝內(nèi)側(cè)壁預(yù)埋鋼板，通過(guò)鋼板焊接懸挑角鋼以放置電纜。溝枕中預(yù)埋PVC管，用于排出積水。電纜溝側(cè)立面如圖2所示，電纜溝各部件均由鋼筋混凝土預(yù)制而成，U形溝和溝枕配筋如圖3所示。蓋板厚120 mm,其縱向、橫向配筋分別為Ф12@200和Ф8@200。

根據(jù)上述做法，新型裝配式電纜溝有如下優(yōu)勢(shì)：

1)質(zhì)量可控,安全可靠。裝配式電纜溝工廠化生產(chǎn),產(chǎn)品尺寸精度高，外形美觀，耐久性好。

2)快速便捷,經(jīng)濟(jì)節(jié)約,生態(tài)環(huán)保。與現(xiàn)澆電纜溝相比可縮短工期70%左右。還可減少施工人員數(shù)量和現(xiàn)場(chǎng)用水量,同時(shí)還可減少現(xiàn)場(chǎng)垃圾及噪音。

3)符合國(guó)家建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化(即工化生產(chǎn)、裝配式施工)的發(fā)展方向。

2 有限元分析

2.1 模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模計(jì)算。各預(yù)制構(gòu)件均采用C30混凝土，彈性模量為29 540 N/mm2,泊松比0.2，密度為24 kN/m3。采用混凝土塑性損傷模型。鋼筋彈性模量210 000 N/mm2,泊松比0.3,密度78.5 kN/m3，屈服應(yīng)力為335 N/mm2，采用理想彈塑性模型。土體容重18 kN/m3，壓縮模量15 N/mm2，泊松比0.3，采用摩爾-庫(kù)侖塑性模型，摩擦角30度，凝聚屈服應(yīng)力為0.04 N/mm2。

U形溝與溝枕采用螺栓連接，U形溝兩側(cè)土體長(zhǎng)寬高為8 m×3 m×5 m。電纜溝有限元模型如圖4所示。

鋼筋均內(nèi)置于混凝土實(shí)體中。U形溝與溝枕螺栓連接處，簡(jiǎn)化為局部表面綁定。U形溝直接擱置溝枕上，法向硬接觸，切向摩擦系數(shù)為0.8。土體和電纜溝表面法向硬接觸，切向摩擦系數(shù)為0.5。

鋼筋設(shè)置為T(mén)3D2桁架單元，混凝土和土體采用三維實(shí)體單元C3D8R。

2.2 荷載作用及分析步驟

在溝枕兩側(cè)施加水平約束，土體底面固接，四周法向約束。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，蓋板上施加15 kN/m2活荷載設(shè)計(jì)值或100 kN的集中荷載設(shè)計(jì)值以考慮貨車(chē)輪壓。

具體分析步驟為：首先在分析步gravity-balance中對(duì)結(jié)構(gòu)和土體施加約束和重力，創(chuàng)建預(yù)定義場(chǎng)，并施加到結(jié)構(gòu)和土體中即可完成地應(yīng)力平衡。

地應(yīng)力平衡完成后，即可施加豎向活荷載和電纜引起的彎矩。U形溝兩側(cè)各有3根電纜，每根電纜重0.60 kN，電纜到溝壁距離為200 mm。

有限元分析時(shí)考慮三種工況：工況1，U形溝兩側(cè)加土壓力；工況2，U形溝兩側(cè)加土壓力，內(nèi)加電纜彎矩，上加10 kN/m2活荷載設(shè)計(jì)值。工況3，U形溝兩側(cè)加土壓力，內(nèi)加電纜彎矩和100 kN集中荷載設(shè)計(jì)值。

2.3 分析結(jié)果

通過(guò)有限元分析，分別得到上述三種加載工況下，U形溝及溝枕內(nèi)鋼筋的最大Mises應(yīng)力、混凝土的最大主拉和主壓應(yīng)力以及U形溝變形和沉降，如表1所示。從表中可知：鋼筋最大Mises應(yīng)力為6.143 N/mm2，小于屈服強(qiáng)度；混凝土的最大主拉、主壓應(yīng)力分別為0.99 N/mm2和1.84 N/mm2，均小于設(shè)計(jì)值。U形溝頂部橫向最大位移0.361 mm，僅為高度(1.780 m)的1/4 931。汽車(chē)輪壓作用下，電纜溝的最大沉降值為1.717 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表1 有限元分析結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)電纜溝不足開(kāi)發(fā)了一種新型裝配式電纜溝，并采用ABAQUS有限元軟件對(duì)其在3種荷載工況作用下進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：不同加載工況下，U形溝及溝枕內(nèi)鋼筋的最大Mises應(yīng)力、混凝土的最大主拉和主壓應(yīng)力以及U形溝最大橫向位移、沉降值均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以在實(shí)際工程中應(yīng)用。