模塊化裝配式電纜溝的開發與研究

張錦文，余英偉，黃 鑫，嚴貴芳，孫安君，柴 明，王小平，周林濤，程春英

(1.國網湖北省電力有限公司咸寧供電公司,咸寧 437199;2.武漢理工大學土木工程與建筑學院,武漢 430070; 3.湖北別一閣鋼結構科技開發有限公司,武漢 430070)

電纜溝是電廠、變電站、換流站等電力工程項目中的一項基礎性設施,其建造成本和運營維護成本直接影響項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、現澆混凝土電纜溝、預制裝配式混凝土電纜溝。前兩者由于現場施工工期長、濕作業多，易受低溫陰雨天氣影響等原因已很難滿足新型變電站施工的需要，也不符合國家建筑產業現代化(即工業化生產、裝配式施工)的發展方向。預制電纜溝替代現場施工電纜溝已成為必然的趨勢。但裝配式電纜溝存在前期綜合成本較高、結構自重大、安裝效率低、運輸吊裝難度大等不足。為此，國內外學者一方面對預制電纜溝進行試驗和理論分析，另一方面針對預制裝配式電纜溝的不足，提出解決方案和新的模型，并依托實際工程檢驗其合理性。

劉飛[1]認為在當前我國大力發展建筑產業現代化及全面推進城市綜合管廊建設的新形勢下，電力基建項目中裝配式施工發展優勢十分明顯，如裝配式電纜溝工程，現場施工便捷、質量可靠、施工對環境影響較小，因此，裝配式混凝土電纜溝應用在電力基建中有顯著效益和廣闊應用前景。

Canto-Perello J[2]指出綜合管廊的設計必須滿足以下要求：管廊的斷面必須滿足各類管線的安裝要求；要預留足夠的空間以滿足城市發展的需要；在管廊的設計過程中應該充分考慮人的因素，必須滿足工人維修養護對操作空間的要求。

張棟輝在文獻[3]中指出：預制式電纜溝可根據設計尺寸要求制模，進行工廠標準化生產，綠色環保、低能耗、低碳排放，且質量易于保證，施工階段采用機械化安裝，工期短，同時免去大量支、拆模板的手工勞動，極大降低了施工現場的工作量。

隨著我國電網建設“兩型一化”要求的提出，采用預制電纜溝替代傳統現場施工電纜溝已經成為趨勢，但目前預制電纜溝的推廣應用存在一定的阻力。

周鯤[4]通過針對性的改進研究，提出了一種新型混凝土預制電纜溝的合理方案。

呂航[5]認為安裝速度較快、施工周期較短等優點是目前預制式 U 型混凝土電纜溝較為常用的主要原因。為使預制式 U 型混凝土電纜溝能夠盡快投入使用，施工單位應該科學合理的按照工序進行施工，提高效率，節約時間。

周秋鵬[6]從預裝式U型電纜溝的技術可行性和經濟合理性兩方面分析了預裝式U型電纜溝的特點。通過與現澆混凝土電纜溝進行對比分析，證明采用預裝式U型電纜溝可以有效降低現場工作量和施工周期，解決傳統施工方法存在的問題，為變電站進一步實現“設計標準化、加工工廠化、安裝機械化、施工專業化”建設奠定了基礎。

該文以湖北咸寧地區某110 kV變電站工程為依托，開發了一種新型模塊化裝配式混凝土電纜溝，并采用ABAQUS軟件對其進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用提供參考。

1 新型模塊化裝配式電纜溝

該文開發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，并通過螺栓與溝枕連接。蓋板則直接鋪設在U形溝上。U形溝內側壁預埋鋼板，通過鋼板焊接懸挑角鋼以放置電纜。溝枕中預埋PVC管，用于排出積水。電纜溝側立面如圖2所示，電纜溝各部件均由鋼筋混凝土預制而成，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。

根據上述做法，新型裝配式電纜溝有如下優勢：

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

2)快速便捷,經濟節約,生態環保。與現澆電纜溝相比可縮短工期70%左右。還可減少施工人員數量和現場用水量,同時還可減少現場垃圾及噪音。

3)符合國家建筑產業現代化(即工化生產、裝配式施工)的發展方向。

2 有限元分析

2.1 模型的建立

采用ABAQUS有限元軟件進行建模計算。各預制構件均采用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-庫侖塑性模型，摩擦角30度，凝聚屈服應力為0.04 N/mm2。

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

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

鋼筋設置為T3D2桁架單元，混凝土和土體采用三維實體單元C3D8R。

2.2 荷載作用及分析步驟

在溝枕兩側施加水平約束，土體底面固接，四周法向約束。根據相關標準，蓋板上施加15 kN/m2活荷載設計值或100 kN的集中荷載設計值以考慮貨車輪壓。

具體分析步驟為：首先在分析步gravity-balance中對結構和土體施加約束和重力，創建預定義場，并施加到結構和土體中即可完成地應力平衡。

地應力平衡完成后，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。

有限元分析時考慮三種工況：工況1，U形溝兩側加土壓力；工況2，U形溝兩側加土壓力，內加電纜彎矩，上加10 kN/m2活荷載設計值。工況3，U形溝兩側加土壓力，內加電纜彎矩和100 kN集中荷載設計值。

2.3 分析結果

通過有限元分析，分別得到上述三種加載工況下，U形溝及溝枕內鋼筋的最大Mises應力、混凝土的最大主拉和主壓應力以及U形溝變形和沉降，如表1所示。從表中可知：鋼筋最大Mises應力為6.143 N/mm2，小于屈服強度；混凝土的最大主拉、主壓應力分別為0.99 N/mm2和1.84 N/mm2，均小于設計值。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。汽車輪壓作用下，電纜溝的最大沉降值為1.717 mm，滿足設計要求。

表1 有限元分析結果

3 結 語

針對傳統電纜溝不足開發了一種新型裝配式電纜溝，并采用ABAQUS有限元軟件對其在3種荷載工況作用下進行了分析，結果表明：不同加載工況下，U形溝及溝枕內鋼筋的最大Mises應力、混凝土的最大主拉和主壓應力以及U形溝最大橫向位移、沉降值均滿足設計要求，可以在實際工程中應用。