橋架定型彎通滿足電力電纜合規敷設相關參數研究

江期洪

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 引言

橋架作為電力電纜敷設的常用載體被廣泛應用于建筑電氣工程中，在橋架改變路由、改變位置的部位會設置不同的橋架定型彎通[1]，以滿足橋架的連接通暢。橋架作為電力電纜的載體需要滿足幾大功能：(1)滿足電力電纜承載要求；(2)滿足電力電纜的合規通過，其中包括截面和彎曲半徑要求；(3)提供對電力電纜的機械及防火保護。

本文針對橋架定型彎通滿足電力電纜合規敷設的相關參數展開分析及計算研究，以期能對橋架定型彎通的工程設計和施工應用提供研究依據和幫助。

2 電力電纜敷設和橋架選擇的規范依據

《電纜線路施工及驗收規范》[2]第5.1.7條對電纜的最小彎曲半徑有明確的規定，見表1；《低壓配電設計規范》[3]第7.6.14條：“電纜在托盤和梯架內敷設時，電纜總截面積與托盤和梯架橫斷面面積之比，電力電纜不應大于40%，控制電纜應不大于50%”；《電纜線路施工及驗收規范》第4.2.8條：“電纜橋架轉彎處的轉彎半徑，應不小于該橋架上的電纜最小允許彎曲半徑的最大者”；《電力工程電纜設計標準》[4]第5.1.4(3)條：“除交流系統用單芯電纜情況外，電力電纜相互間宜有1倍電纜外徑的空隙”；《民用建筑電氣設計規范》[5]第8.12.7條：“在電纜托盤上可以無間距敷設電纜，電纜在托盤內橫斷面的填充率，電力電纜應不大于40%，控制電纜應不大于50%”。

表1 電纜最小彎曲半徑(常用電纜類型節選)

在橋架選型階段，按照規范規定，首先根據敷設電纜數量、外徑及間隙選擇橋架的寬度和高度，然后復核電纜總截面與橋架橫截面面積比是否滿足要求，如果不滿足需進行調整并重新復核。但按此條件選擇的橋架是否能滿足電力電纜通過橋架彎通時的電纜最小彎曲半徑要求，目前國內還沒有相關論述和研究。

工程中應用的各類橋架定型彎通都可以由水平彎通和豎向彎通兩種基本型衍生組合出來，因此首選水平彎通和豎向彎通開展研究。

3 橋架水平定型彎通滿足電纜合規通過的參數分析及數學模型

為突出主要研究對象，在分析前做以下合理約定：(1)電纜單層排布；(2)彎曲后電纜外徑d和直線狀態下外徑一致；(3)電纜之間在最不利點處間隙為δ；(4)電纜均按90°轉角過彎，直線段橋架內電纜的敷設排列應順直、整齊[6]，不擰絞，見圖1。

不規范的電纜敷設方式不在本文研究范圍，過度的彎曲會折傷電纜[7]。

3.1 橋架水平定型彎通的相關參數

圖1中的標注方法為目前國內橋架廠家常見的尺寸標注方式[8]，其中L為水平彎通長度，b為橋架寬度。但僅靠這兩項參數無法確定W值，W是影響水平定型彎通電纜通過能力的重要參數，將其標注為橋架彎通的彎曲寬度。

圖1 規范的電纜敷設方式

3.2 單根電纜通過水平定型彎通分析

電纜最小允許彎曲半徑Rmin可根據電纜類型按照式1確定。

式中，d為電纜實際外徑；t為規范允許電纜最小彎曲倍數，按電纜類型查詢表1確定。

如果Rmin≤W，電纜從內側緊貼橋架側邊彎曲敷設即滿足要求(見圖2a)，此時彎通的W值對電纜過彎能力無任何限制；如果Rmin＞W，電纜最靠近內側的過彎狀態如圖2b，此時電纜過彎后與橋架直線段內側有一間隙，此間隙大小由W值和Rmin值決定，W值對電纜過彎有限制。

圖2 單根電纜過彎分析

隨著d值增大Rmin值也增大，單根電纜過彎的最大極限狀態見圖3。此時橋架水平彎通只能合規通過單根電纜，d值達到允許最大值dmax。

圖3 單根電纜過彎極限狀態(Rmin達到最大)

通過圖3分析計算，可推導出以下公式：

式中，dmax為合規通過最大電纜外徑。從公式可以看出，針對特定的電纜，t是固定值，則dmax的大小取決于b和w，且隨著b和w值的增大dmax也隨之增大。

3.3 多根電纜通過水平定型彎通現狀分析

根據單根電纜的理論分析，越粗的電纜布置在彎通彎曲外側，越細的電纜布置在彎曲內側，能在滿足電纜彎曲半徑要求的條件下最大限度利用橋架空間。

工程實際情況是電纜的數量、選型、截面和排布由配電設計決定，電纜敷設路由要根據其起始和終端在整個配電系統的走向合理布置，盡量排列整齊并減少交叉[9]。因此實際工程中不可能單純按照電纜的外徑來進行電纜優化排布，而是需要根據電纜的配電路由最佳排布來確定橋架定型彎通的合適參數。根據本文第2章節分析，設計通過電纜選型和截面明確橋架尺寸(包括寬度和高度)，因此橋架定型彎通的b值已經確定。目前所缺的是對定型彎通W值的研究，一方面不能判斷能合規通過直線段的電纜排布是否能合規通過定型彎通；另一方面也沒有針對給定的電纜排布，計算出能滿足合規通過定型彎通最小W值的方法。

3.4 橋架水平定型彎通滿足電纜合規通過的數學模型

基于前述分析，本文建立了一種數學模型和分析方法，能夠針對給定的電纜排布利用迭代分析法解決以上兩個問題。

已知電纜的類型t(可確定)、外徑d、數量N、排布、水平定型彎通的b值、在過彎最不利點(彎通中軸線上)的電纜預留間隙值δ(自行設定合理值)及電纜規范允許最小彎曲半徑Rmin。

從橋架彎曲內側的第1根電纜開始，由內向外分析計算，找出每1根電纜的實際最優排布彎曲半徑R，保證其既滿足不小于Rmin，又能保證整體的電纜排布(包括電纜間隙)占用橋架寬度最小。

首先根據實際情況合理設定W初始值。

(1)步驟1：首根電纜R1與α1的確定

針對彎曲內側的第1根電纜，根據單根電纜過彎的原理分析，可針對電纜外徑的不同取值范圍分成以下三種情況，得出電纜的R1與α1(第1根電纜與橋架內側的間隙值)。

③如d1＞dmax(按公式2計算)，該W值下不能通過1根電纜，W值需要調大。

圖4 首根電纜計算簡圖

(2)步驟 2：第 2根電纜R2與α2的確定

①針對第2根電纜，比較其Rmin2值與第1根電纜R1+d1+δ1值的大小。

如Rmin2≤(R1+d1+δ1)，則第2根電纜R2=R1+d1+δ1，α2=δ1( 見 圖5a)；如Rmin2＞(R1+d1+δ1)，則第2根電纜在保證最不利點δ1值的基礎上采用Rmin2值過彎，此時第2根電纜R2=Rmin2，見圖5b。

②比較(d1+d2+α1+α2)與橋架寬度b值大小，如(d1+d2+α1+α2)≤b，則：

如電纜設定數量大于2，進入下一步，如電纜設定數量為2，判定該W值能滿足電纜合規過彎，且有b-(d1+d2+α1+α2)的余量；如(d1+d2+α1+α2) ＞b，則該W值不能滿足電纜合規過彎，W值需重設。

圖5 第2根電纜計算簡圖

(3)步驟n：參數計算(n≥2，n為已知的電纜數量)

同第2步方法，針對第n根電纜不斷進行迭代分析，最后計算出αn值。

①針對第n根電纜，比較其Rminn值與第n-1根電纜Rn-1+dn-1+δn-1值的大小，如Rminn≤(Rn-1+dn-1+δn-1)，則第n根電纜Rn=Rn-1+dn-1+δn-1，αn=δn-1；如Rminn＞ (Rn-1+dn-1+δn-1)，則第n根電纜采用Rminn值過彎，Rn=Rminn。

如當前n值未達到設定電纜數量N，進入下一步，如當前n值已達到設定電纜數量N，則判定該W值能滿足電纜合規過彎，且有的余量；如＞b則該W值不能滿足電纜合規過彎，W值需重新設定。

通過以上數學模型分析，針對任何給定電纜排布，設定一個W值即可得出該W值能否滿足電纜合規過彎的結論，同時也能獲得余量參數。利用該數學模型再結合數學迭代分析，應用軟件編寫計算程序[11]，能針對給定電纜排布和橋架寬度自動計算出滿足電纜合規過彎的彎通最小W值(見圖6)。

圖6 利用軟件分析計算橋架彎通最小W值

4 橋架豎向定型彎通滿足電纜合規通過的相關參數研究

多根電纜通過豎向定型彎通的情況相對簡單，此時橋架寬度和W值不在一個維度，只需考慮最不利情況，即單根最粗電纜能合規過彎，則其他電纜就都能滿足。

將單根電纜通過水平定型彎通的水平彎通看做為豎向彎通，b值調整為h值，圖3為豎向電纜過彎的極限狀態，可推導出公式：

式中，dmax為合規通過最大電纜外徑；t為電纜最小彎曲倍數；h為橋架高度；W為彎曲寬度。

dmax、h、w3個參數知道其中2個即可以求出第3個，dmax的值取決于h和w值的大小。

工程中其他橋架定型彎通都可以轉化成水平彎通或豎向彎通的組合應用以上分析予以解決。

5 結束語

(1)對于確定類型的單根電纜，橋架水平定型彎通的電纜合規通過能力取決于橋架寬度b、彎曲寬度w參數。

(2)對于確定類型的多根電纜，橋架水平定型彎通的電纜合規通過能力取決于橋架寬度b、彎曲寬度w、電纜間最小間距δ、電纜排布等參數。

(3)通過本文建立的數學模型，能針對設計好的水平電纜排布方案和橋架定型彎通參數驗算其是否能滿足電纜合規過彎的要求；也能針對設計好的電纜排布方案和直線段橋架參數，給出橋架定型彎通滿足電纜合規通過的最小彎曲寬度值。

(4)對于確定類型的電纜，橋架豎向定型彎通的電纜合規通過能力取決于橋架高度h、彎曲寬度w參數。可以通過其中最粗的電纜來驗算電纜合規通過能力或求出橋架定型彎通滿足電纜合規通過的最小彎曲寬度值。

(5)橋架定型彎通是整個橋架應用于電力電纜敷設中的薄弱環節。在實際工程橋架彎通選型定貨前[12]，必須要驗算橋架彎通的彎曲寬度值W能否滿足電纜合規通過，尤其要重視變配電室、設備機房、強電豎井等大電纜敷設多且集中部位的橋架定型彎通W值的審核，如驗算橋架廠家常規W值不能滿足合規敷設要求，要根據驗算結果要求廠家對W值予以調整，以確保電纜合規通過橋架定型彎通。