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摘要：随着社会经济的发展，我国对电能的需求不断增加，为提高电力电缆排管防护沟槽的装配化程度和便于局部更换，研发了预制装配式排管防护沟槽结构体系，开展了沟槽结构的参数化设计。选取典型结构构造形式，采用原型试验研究和有限元分析相结合的方法，分析了覆土厚度分别在1m和3m两种工况下，结构应力分布和位移变化规律。研究结果表明，覆土厚度对结构竖向位移、普通钢筋拉应力影响显著，覆土厚度为3m时的结构竖向位移、普通钢筋拉应力值分别是覆土厚度为1m时对应值的2.4倍和2.3倍。槽壁是结构主压应力的控制构件，底板是纵向拉应力和主拉应力的控制构件。底板主拉应力随覆土厚度增大而明显增加，当覆土厚度为3m时，主拉应力极值为2.61MPa，略小于C50抗拉强度标准值2.64MPa。
关键词：预制装配式；电力电缆排管；防护沟槽；结构设计
引言
目前城市电网大量采用地下电力电缆输配电系统，大幅节约空间资源、土地资源和提高城市电网抵御冰雪、洪水、台风等自然灾害能力。根据《电力工程电缆设计规范》GB50217-2007相关条款，电缆敷设一般采用直埋敷设、排管敷设、电缆沟敷设、隧道敷设等形式；电缆敷设方式的选择，应根据环境特点、工程规模和电缆类型、数量等因素，以及满足运行可靠、便于维护和技术经济合理的原则来确定。
1现有电缆沟存在的问题
（1）传统的电缆沟长侧壁浇筑时需要在顶部浇筑成阶梯状，加大了施工的难度。（2）传统的电缆沟长侧壁设计为直角，在隧道弯道处浇筑时很难保证平顺光滑，影响了其外观美观。（3）现有盖板主要采用钢筋混凝土盖板，厚度及重量都比较大，给施工及后期运营维护带来了很大的不便。同时传统电缆沟盖板强度较差，在安装及运营过程中经常会发生破损。
2装配式电缆排管防护沟槽设计
2.1电缆排管防护沟槽构造
综合考虑实际输送电缆需求、预制简单、施工方便、可更换性等因素，将预制电缆排管防护沟槽分为槽壁、盖板、底板、管枕4部分，标准节段长2m，横向宽度变化通过调整底板宽度B来实现，根据工程实际应用，B值分别取360mm、620mm、880mm、1140mm和1400mm。其中，槽壁、底板分为插口段和承口段，插口与承口段间通过设置槽口连接，槽壁共有2种类型。底板通过改变布置方向实现插口、承口段的转化。槽壁与底板间横向连接设置槽口，并通过体外预应力连接。盖板长度与防护沟槽横断面宽度一致，宽度均为500mm，厚度均为160mm。为便于维修或局部更换，并考虑电缆随负荷变化导致线路热胀冷缩问题，管枕设计采用2种类型的标准件构成，以满足防护沟槽电缆蛇形敷设需求。
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2.2构件材料的选择
在预制构件材料选用方面，为提高城市电缆的安全可靠性，加强城市电力管线安全防护，加快管线施工进度，减少抢修作业时间。顺应建筑工业化发展方向，实属资源节约型、环境友好型并符合国家节能、环保、节地等相关要求。目前除了钢筋混凝土预制构件外，大量新型复合型材料也应用于工程中，结合传统排管采用现浇钢筋混凝土结构特点进行了对比分析。电缆排管主要采用水泥管、钢管、硬质聚乙烯管、玻璃纤维增强塑胶管等几种材料。塑胶电缆管与水泥管、钢管在机械强度性能、内壁磨擦系数、耐腐蚀性能、绝缘性能等方面具有显著优点，经比选，推荐采用塑胶电缆管。
2.3施工流程及工艺
装配式电缆沟施工流程：预制沟及组件工厂制作、预制沟及组件运输、基础开挖及垫层平整、基础底部放线、预制电缆沟、工作井的起吊及拼装、基础回填及路面修复。工厂预制，批量生产，规格一致。结构强度高，节约材料，安装快捷。质量好，可重复使用，绿色施工。装配式电缆沟施工工艺：成品质量提高，简化施工，安装快捷，减少了排水，砌砖，浇筑压顶，养护等步骤，大大节约工期。
2.4运营维修和局部更换
若个别盖板损坏需要更换，需要移除其上覆土，进行单独更换。若个别沟槽承口段槽壁或对应底板需要更换，需要依次移除其上覆土、盖板、管枕，然后放松预应力钢筋，进行单独更换后复位。若个别沟槽插口段槽壁或对应底板需要更换，需要移除包括相邻2个承口段范围内对应覆土、盖板、管枕，然后放松预应力钢筋，移除承口段管壁，最后移除插口段槽壁，进行原位更换后复位。若个别管枕需要更换，可以单独移除进行更换。
3设计计算与试验分析
（1）设计计算模型。采用有限元软件ABAQUS进行模拟分析，其中，混凝土、土体采用实体C3D8R单元，预应力钢束、普通钢筋采用桁架T3D2单元。混凝土本构采用弹塑性模型，钢材本构采用双折线模型，土体本构采用线弹性模型。由于预制装配式沟槽结构形式的特殊性，有限元模型不能根据对称性简化建模，故建立了3个相邻节段的有限元模型。根据圣维南原理，根据工程所在地的地质资料，以节段底板为基准面竖直向下选取4倍沟槽深度的土体建立整体模型。模型共240994个节点，200350个单元，其中C3D8R单元168276个，T3D2单元32075个，预应力钢束按照实际位置、线形输入并张拉（计入预应力损失）。沟槽槽壁两侧土体按照主动土压力计算的三角形荷载施加，盖板覆土按照均布荷载施加。各装配件之间采用法向“硬”接触，切向考虑摩擦系数为0.6滑动约束。周边土体、外侧沟槽端部均为固结约束。（2）试验装置。防护沟槽主要承受覆土压力荷载和侧向土压力，为了模拟不同覆土厚度下荷载的作用，本试验采用竖向和水平共同加载的试验方案。其中，覆土压力利用分配梁通过竖向千斤顶施加，侧向土压力等效为水平集中力，通过横向千斤顶施加。在侧墙内侧距顶面50mm处布置水平位移计，以测定水平位移变化。根据有限元计算结果，在受力最不利的距离侧墙底部160mm及顶部360mm处布置应变花，以测定主应力变化，共布置位移计2个，应变花12个。
4新型电缆沟优点
（1）这种新型电缆沟取消了长侧壁上部阶梯状，降低了支模及浇筑难度；（2）采用盖板侧缘预制条增加了电缆沟施工的灵活性，确保了电缆沟的美观程度；（3）采用高性能混凝土材料盖板，降低了盖板的重量，利于施工及运营维护。
结束语
对于公路隧道而言，隧道电缆沟是隧道的重要组成部分，关乎着隧道修建的难易程度和施工速度，同时也是隧道运营功能正常的重要保障，对隧道的正常运行具有重要作用。本文通过试验研究和有限元分析，覆土厚度不超过3m时，预制装配式电力电缆排管沟槽结构体系的结构应力和变形均满足规范要求。槽壁横向位移受覆土厚度影响小；盖板竖向位移受覆土厚度影响大，覆土厚度为3m竖向位移极值是覆土厚度为1m的2.4倍。槽壁是竖向拉压应力、纵向压应力、横向压应力、主压应力的控制构件。底板是纵向拉应力和主拉应力的控制构件，覆土厚度越厚，主拉应力越大，当覆土厚度为3m时，主拉应力极值为2.61MPa，略小于C50抗拉强度标准值2.64MPa。普通钢筋拉应力受覆土厚度影响较大，覆土厚度为3m时，对应的拉应力是覆土厚度为1m时的2.3倍。
参考文献
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[3]赵瑞军，王春蓉.混凝土排水管钢筋骨架生产中的若干问题及解决方案探讨[J].混凝土与水泥制品，2018（4）：33-37.
论文作者:李文生
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年11期
论文发表时间:2019/8/28
标签：沟槽论文; 应力论文; 电缆沟论文; 厚度论文; 盖板论文; 覆土论文; 底板论文; 《建筑学研究前沿》2019年11期论文;