電力工程下的薄壁空腔結構受力分析及應用

摘 要：隨著大型城市在電力工程領域對預制件便捷性、輕量化等的要求提高，薄壁空腔結構的預制件應用成為重點。針對薄壁空腔結構設計關鍵技術在電力工程應用，本文提出了一種基于壁厚與應力的計算模型，剖析薄壁空腔預制件構造特征及其對力學性能指標，通過該模型計算限定應力值下的薄壁預制件壁厚，根據案例分析薄壁結構的受力參數特性，驗證方法的合理性與科學性，為電力工程應用下的預制件選擇提供參考。

關鍵詞：薄壁空腔結構；受力分析；力學特性

中圖分類號：TM 24 " 文獻標志碼：A

傳統的現澆電纜溝井工藝與現代工程項目的高效、環保、耐用要求相比存在一定差距，在應用中逐漸顯現局限性。預制式薄壁空腔構筑物因其施工速度快、效益高和環境影響小等優點，應用廣泛。這種結構形式通常是工廠預先制造、現場裝配，靈活且效率高，超越傳統建筑技術。然而，薄壁空腔結構的受力特性復雜，且對設計參數的精確控制要求較高，因此，當進行薄壁空腔結構的受力分析和計算時，需要綜合考慮結構的材料特性、幾何形狀、載荷條件等邊界條件因素，保證計算結果的準確性和可靠性。

1 應用前景

深圳電力通道建造面臨以下問題：施工環境復雜，大量現場施工導致施工周期長且成本高。傳統建造方法效率低下，難以滿足現代化城市快速發展的需求。除此之外，電力通道維護和檢修也是一個難題，傳統方法無法有效解決這些問題。

為了解決這些難點，研究引入預制構筑物薄壁空腔關鍵技術。這項技術可以制作薄壁空腔預制件，具有高強度、輕質、防火性能好等優點。使用這種預制件可以大幅縮短施工周期、降低成本、提高效率，并有效解決維護和檢修難題[1-2]。這種預制構筑物薄壁空腔技術還可以節能減碳。通過優化電力通道的結構設計，可以減少材料的用量，從而降低能源消耗和減少碳排放。同時，應用這種技術還可以延長電力通道的使用壽命和提高耐久性，減少維修和更換的次數，進一步降低能源消耗和減少碳排放[3-4]。

2 關鍵參數

預制式薄壁空腔構筑物具有以下作用和優勢：它們可以節省材料，提高施工效率，減輕質量，增加空間利用率，提高耐久性和靈活性。預制式薄壁空腔構筑物還可以減少現場施工產生的噪聲和廢物量，有助于環境保護。除此之外，預制式薄壁空腔構筑物的設計和施工通常更加靈活，可以滿足不同的設計和施工要求。總而言之，預制式薄壁空腔構筑物是一種具有廣泛應用前景的結構形式，可以為工程領域帶來許多好處。

預制薄壁空腔構筑物通過使用優化材料，可以加速施工進程、減輕結構質量、提高空間效率、增強耐久性以及賦予設計更大的靈活性，展現了其獨特的優勢。預制式薄壁空腔構筑物關鍵參數如下。1）尺寸參數包括內徑、外徑、壁厚、高度、長度等。這些參數決定了構筑物的空間大小、承載能力和使用功能。例如，內徑和高度決定了薄壁筒倉的儲存容量，壁厚會影響結構的強度和穩定性。2）材料特性包括材料種類、強度、模量、耐久性等。這些特性直接影響構筑物的承載能力、抗滲性、抗腐蝕性和使用壽命。例如，選擇合適的材料可以保證薄壁管道在長期使用中性能穩定。3）結構形式包括薄壁空腔結構的形狀、支撐體系、連接方式等。這些因素決定了構筑物的穩定性和施工難度。例如，薄壁隧道的形狀和支撐體系決定了其在使用過程中的穩定性和施工難度。4）預應力狀態：如果構筑物采用預應力技術，那么預應力的大小、分布、錨固方式等是關鍵參數。這些參數決定了預制件的受力狀態和承載能力。例如，預應力預制件薄壁筒倉的預應力狀態可以提高其承載能力和抗裂性能。5）施工方法：預制工藝、運輸方式、安裝方法和接頭處理等。這些因素影響構筑物的施工效率和質量。例如，采用合適的預制工藝可以提高薄壁管道的生產效率和質量。6）力學性能：承受的壓力、彎矩、剪力以及構筑物在這些力作用下的應力、應變分布。這些參數可保障構筑物在實際應用中的安全性、保證可靠性和經濟性。7）耐久性指標：例如抗滲性、抗腐蝕性、抗凍性等。這些指標可以保證構筑物在長期使用中的性能穩定，降低了維修和更換成本。8）安全系數：設計和施工時需要考慮的安全系數，保障構筑物在使用過程中的安全性。例如，適當的安全系數可以保證薄壁空腔構筑物在極端氣候和自然災害條件下的穩定性。9）環境適應性：構筑物對溫度、濕度、地震等環境因素的適應能力。例如，薄壁隧道對溫度和濕度的適應性可以保證其在不同氣候條件下的性能穩定。10）經濟性：預制構件的成本、施工效率、維護費用等。這些因素會影響項目的總體經濟性，有利于降低成本、提高效益。

預制式薄壁空腔構筑物的關鍵參數及其作用包括結構尺寸、材料性能、結構形式、預應力狀態、施工方法、力學性能、耐久性、安全性、環境適應性和經濟性等多個方面。在設計和施工過程中，需要綜合考慮這些參數，保障構筑物的結構安全、保證施工可行和經濟合理。本文重點分析力學結構方面指標。

3 力學特性分析

薄壁空腔結構通常由薄壁板及內部空腔（部分空腔）構成，其幾何特性涵蓋壁厚、空腔的尺寸與形態等，這些幾何參數對結構的剛性與強度有直接影響。在材料屬性方面，常用的材料有鋼、鋁以及多種復合材料，每種材料都具備其獨特的力學性能[5]，例如彈性模量、屈服強度等。由于構件形式復雜，因此在受力后的傳力途徑也相對復雜，當處理薄壁空腔結構時，必須關注其靜力學方面的挑戰，例如彎曲、扭轉和剪切等問題。由于結構的薄壁特性，局部屈曲和整體穩定性是分析中的關鍵問題。因此，在預制式薄壁空腔構筑物的設計和評估過程中，準確的受力分析是保障結構安全和保證可靠的基礎[6]。薄壁空腔結構整體思路如圖1所示。

3.1 尺寸要求分析

尺寸規格包括內徑、外徑、壁厚、高度和長度等關鍵要素，這些規格對構筑物的空間配置、承載能力和功能實現至關重要。薄壁空腔構筑物的壁厚是決定其承載力、自身質量和經濟效益的關鍵參數。確定壁厚應綜合考慮結構類型、設計載荷、材料特性及施工條件等多方面因素。一般來說，壁厚應滿足結構強度、穩定性和正常使用極限狀態下的變形要求。壁厚的計算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：t為壁厚，mm；fck為構筑物抗壓強度設計值；b 為計算寬度，mm，通常取空腔構筑物的寬度；?為材料強度分項系數，根據相關規范取值；fy為構筑物屈服強度設計值；As為構筑物截面積，mm2。

在具體設計過程中，必須綜合考慮施工偏差、材料收縮與蠕變等影響，因此有必要適度增加壁厚保證結構的穩定性。

空腔的尺寸包括寬度、高度和長度，對構筑物的體積、保溫隔熱效果以及聲學和防火性能有直接影響。應該遵循規范要求，并結合節能計算、聲學模擬等分析方法確定空腔尺寸[7]。

3.2 材料性能參數

材料性能參數包括材料的類型、強度、彈性模量以及耐久性等方面，這些屬性直接影響構筑物的承載性能、防水防滲能力、耐腐蝕性以及整體的使用年限。薄壁空腔構筑物預制件的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、抗折強度等是評價其承載能力和耐久性的重要指標。應根據設計荷載、結構類型、環境條件等因素確定選擇預制件強度，其計算過程如公式（2）所示。

fck=αc?fcm " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：αc為預制件材料分項系數；fcm為預制件立方體抗壓強度標準值。

預制件的直徑、間距以及配筋率等因素對構筑物的抗裂性能、抗剪能力和整體穩定性有決定性影響。因此，當配置預制件時，必須綜合考慮結構類型、設計荷載、預制件的強度特性以及施工條件等多方面因素，保障構筑物在各種工況下的安全性和保證可靠性。

預制件截面積的計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：M為彎矩設計值，kN?m；d為計算跨度，mm。

預制件間距應滿足構造要求，配筋率應控制在規范允許范圍內，保證預制件與預制件的共同工作效果。

3.3 結構性能參數

預制式薄壁空腔構筑物的承載力包括軸心受壓、偏心受壓、受彎、剪切等極限承載力，是設計和校核結構安全性的重要依據。通常采用材料力學原理，結合規范規定的荷載組合和設計方法計算承載力。

預制式薄壁空腔構筑物的結構安全性設計與校核的核心是準確評估軸心受壓、偏心受壓、受彎及剪切等多種受力狀態下的極限承載能力。承載力的計算過程如公式（4）所示。

N=??As?fck " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中：N為軸心受壓承載力設計值，kN。

當計算偏心受壓、受彎、剪切等承載力時，必須綜合考慮構件的幾何形態、荷載的分布情況以及材料的性能特點，為結構設計提供堅實的理論基礎。

將公式（2）、公式（3）代入公式（1），得出公式（5）、公式（6）。

（5）

（6）

4 案例研究

4.1 案例參數

在電力工程電纜溝預制件應用中，本案例研究的設計對象是矩形薄壁空腔結構，如圖2所示。矩形截面受壓，中間段右側有一個槽口，它是空腔結構形式，采用混凝土C30作為預制件的應用材料，計算寬度為800mm，跨度為200mm，電纜井的橫向長度為1200mm。根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2002）中的4.1.5條，混凝土的抗壓強度fck為30MPa，預制件材料分項系數為1.4，密度ρ為2360kg/m3，fcm預制件立方體抗壓強度標準值為0.0201kN/mm2，預制件抗壓強度為35MPa，預制件屈服強度為0.0143kN/mm2。

4.2 薄壁受力參數分析

根據上述案例參數，代入公式（5），計算壁厚：t===150.08mm。即設計薄壁空腔預制件時，壁厚不能低于150.08mm。

同時，根據地區應用調研可知，電纜溝的上面會行駛汽車等，預計最大的軸心受壓承載力設計值為50kN，考慮30%裕度，使用公式計算軸心受壓承載力：N=·fck=×

35=91.78kN。

50kN/0.7＜91.78kN，即設計的產品是符合實際場景的應用，滿足壓力等指標要求。

4.3 薄壁減碳分析

根據分析可知，在電力工程中應用薄壁空腔預制件，可以減輕電纜井的質量和減少碳排放，即根據已有參數可知，減少的質量為體積×密度：a?b?C×ρ=50×800×1200×10003×

2360=113.28kg。

節約了113.28kg的材料，如果生產1t的水泥需要能耗為94kgce，標準煤折算系數取2.46t，則單個電纜井（4個面）減排：4×113.28/1000×2.46=1.11t。

目前深圳供電局已有10萬個電纜井，通過改造全部按照薄壁預制件進行建設，能解決11.1萬t二氧化碳，考慮按照30%的現狀改造（老舊、適用性等）以及10%的負荷發展需求，則需要4.44萬t，由此可知，節能減碳效果比較好。

已知電纜井地面受力情況，可計算薄壁預制件的電纜井的最小壁厚，在滿足外部受力和安全的情況下，要保證最少的物料、投資，使薄壁預制件在電力領域快速應用。

5 結論

本文深入探討了薄壁空腔技術的應用需求及其關鍵參數，剖析了構件的力學特性與模型，并提出一套符合特定建設標準的薄厚設計方案，減少預制構筑物的質量與體積，簡化現場施工流程，降低施工難度。輕量化的預制構件不僅便于搬運與組裝，還能有效減輕現場施工的勞動強度，提高了施工效率與品質。研究成果不僅推動了綠色建筑與施工實踐，也為實現“雙碳目標”提供了有力支持。

參考文獻

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[3] 李坤，董柯楠.預制混凝土電纜溝在水電工程的應用[J].廣東水利水電，2020（10）：70-73，93.

[4]梁亞偉，郭魏芬，楊子燁.溝槽式預制裝配式電纜排管工作井施工工藝及應用[J].電力與能源，2024，45（1）：55-59.

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[6]何大治.疊合式受彎構件正截面承載力的受力性能分析[D].武漢：武漢理工大學，2004.

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