電力工程下的薄壁空腔結(jié)構(gòu)受力分析及應(yīng)用

摘 要：隨著大型城市在電力工程領(lǐng)域?qū)︻A(yù)制件便捷性、輕量化等的要求提高，薄壁空腔結(jié)構(gòu)的預(yù)制件應(yīng)用成為重點。針對薄壁空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)在電力工程應(yīng)用，本文提出了一種基于壁厚與應(yīng)力的計算模型，剖析薄壁空腔預(yù)制件構(gòu)造特征及其對力學(xué)性能指標(biāo)，通過該模型計算限定應(yīng)力值下的薄壁預(yù)制件壁厚，根據(jù)案例分析薄壁結(jié)構(gòu)的受力參數(shù)特性，驗證方法的合理性與科學(xué)性，為電力工程應(yīng)用下的預(yù)制件選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：薄壁空腔結(jié)構(gòu)；受力分析；力學(xué)特性

中圖分類號：TM 24 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

傳統(tǒng)的現(xiàn)澆電纜溝井工藝與現(xiàn)代工程項目的高效、環(huán)保、耐用要求相比存在一定差距，在應(yīng)用中逐漸顯現(xiàn)局限性。預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物因其施工速度快、效益高和環(huán)境影響小等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。這種結(jié)構(gòu)形式通常是工廠預(yù)先制造、現(xiàn)場裝配，靈活且效率高，超越傳統(tǒng)建筑技術(shù)。然而，薄壁空腔結(jié)構(gòu)的受力特性復(fù)雜，且對設(shè)計參數(shù)的精確控制要求較高，因此，當(dāng)進(jìn)行薄壁空腔結(jié)構(gòu)的受力分析和計算時，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)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(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 應(yīng)用前景

深圳電力通道建造面臨以下問題：施工環(huán)境復(fù)雜，大量現(xiàn)場施工導(dǎo)致施工周期長且成本高。傳統(tǒng)建造方法效率低下，難以滿足現(xiàn)代化城市快速發(fā)展的需求。除此之外，電力通道維護(hù)和檢修也是一個難題，傳統(tǒng)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(yù)制構(gòu)筑物薄壁空腔關(guān)鍵技術(shù)。這項技術(shù)可以制作薄壁空腔預(yù)制件，具有高強度、輕質(zhì)、防火性能好等優(yōu)點。使用這種預(yù)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(hù)和檢修難題[1-2]。這種預(yù)制構(gòu)筑物薄壁空腔技術(shù)還可以節(jié)能減碳。通過優(yōu)化電力通道的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用這種技術(shù)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(shù)，進(jìn)一步降低能源消耗和減少碳排放[3-4]。

2 關(guān)鍵參數(shù)

預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物具有以下作用和優(yōu)勢：它們可以節(jié)省材料，提高施工效率，減輕質(zhì)量，增加空間利用率，提高耐久性和靈活性。預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物還可以減少現(xiàn)場施工產(chǎn)生的噪聲和廢物量，有助于環(huán)境保護(hù)。除此之外，預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物的設(shè)計和施工通常更加靈活，可以滿足不同的設(shè)計和施工要求?？偠灾A(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物是一種具有廣泛應(yīng)用前景的結(jié)構(gòu)形式，可以為工程領(lǐng)域帶來許多好處。

預(yù)制薄壁空腔構(gòu)筑物通過使用優(yōu)化材料，可以加速施工進(jìn)程、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高空間效率、增強耐久性以及賦予設(shè)計更大的靈活性，展現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢。預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物關(guān)鍵參數(shù)如下。1）尺寸參數(shù)包括內(nèi)徑、外徑、壁厚、高度、長度等。這些參數(shù)決定了構(gòu)筑物的空間大小、承載能力和使用功能。例如，內(nèi)徑和高度決定了薄壁筒倉的儲存容量，壁厚會影響結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)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(gòu)筑物的承載能力、抗?jié)B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(wěn)定。3）結(jié)構(gòu)形式包括薄壁空腔結(jié)構(gòu)的形狀、支撐體系、連接方式等。這些因素決定了構(gòu)筑物的穩(wěn)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(wěn)定性和施工難度。4）預(yù)應(yīng)力狀態(tài)：如果構(gòu)筑物采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，那么預(yù)應(yīng)力的大小、分布、錨固方式等是關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)決定了預(yù)制件的受力狀態(tài)和承載能力。例如，預(yù)應(yīng)力預(yù)制件薄壁筒倉的預(yù)應(yīng)力狀態(tài)可以提高其承載能力和抗裂性能。5）施工方法：預(yù)制工藝、運輸方式、安裝方法和接頭處理等。這些因素影響構(gòu)筑物的施工效率和質(zhì)量。例如，采用合適的預(yù)制工藝可以提高薄壁管道的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。6）力學(xué)性能：承受的壓力、彎矩、剪力以及構(gòu)筑物在這些力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布。這些參數(shù)可保障構(gòu)筑物在實際應(yīng)用中的安全性、保證可靠性和經(jīng)濟(jì)性。7）耐久性指標(biāo)：例如抗?jié)B性、抗腐蝕性、抗凍性等。這些指標(biāo)可以保證構(gòu)筑物在長期使用中的性能穩(wěn)定，降低了維修和更換成本。8）安全系數(shù)：設(shè)計和施工時需要考慮的安全系數(shù)，保障構(gòu)筑物在使用過程中的安全性。例如，適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)可以保證薄壁空腔構(gòu)筑物在極端氣候和自然災(zāi)害條件下的穩(wěn)定性。9）環(huán)境適應(yīng)性：構(gòu)筑物對溫度、濕度、地震等環(huán)境因素的適應(yīng)能力。例如，薄壁隧道對溫度和濕度的適應(yīng)性可以保證其在不同氣候條件下的性能穩(wěn)定。10）經(jīng)濟(jì)性：預(yù)制構(gòu)件的成本、施工效率、維護(hù)費用等。這些因素會影響項目的總體經(jīng)濟(jì)性，有利于降低成本、提高效益。

預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物的關(guān)鍵參數(shù)及其作用包括結(jié)構(gòu)尺寸、材料性能、結(jié)構(gòu)形式、預(yù)應(yīng)力狀態(tài)、施工方法、力學(xué)性能、耐久性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等多個方面。在設(shè)計和施工過程中，需要綜合考慮這些參數(shù)，保障構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全、保證施工可行和經(jīng)濟(jì)合理。本文重點分析力學(xué)結(jié)構(gòu)方面指標(biāo)。

3 力學(xué)特性分析

薄壁空腔結(jié)構(gòu)通常由薄壁板及內(nèi)部空腔（部分空腔）構(gòu)成，其幾何特性涵蓋壁厚、空腔的尺寸與形態(tài)等，這些幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)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(fù)合材料，每種材料都具備其獨特的力學(xué)性能[5]，例如彈性模量、屈服強度等。由于構(gòu)件形式復(fù)雜，因此在受力后的傳力途徑也相對復(fù)雜，當(dāng)處理薄壁空腔結(jié)構(gòu)時，必須關(guān)注其靜力學(xué)方面的挑戰(zhàn)，例如彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切等問題。由于結(jié)構(gòu)的薄壁特性，局部屈曲和整體穩(wěn)定性是分析中的關(guān)鍵問題。因此，在預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物的設(shè)計和評估過程中，準(zhǔn)確的受力分析是保障結(jié)構(gòu)安全和保證可靠的基礎(chǔ)[6]。薄壁空腔結(jié)構(gòu)整體思路如圖1所示。

3.1 尺寸要求分析

尺寸規(guī)格包括內(nèi)徑、外徑、壁厚、高度和長度等關(guān)鍵要素，這些規(guī)格對構(gòu)筑物的空間配置、承載能力和功能實現(xiàn)至關(guān)重要。薄壁空腔構(gòu)筑物的壁厚是決定其承載力、自身質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵參數(shù)。確定壁厚應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)類型、設(shè)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(yīng)滿足結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性和正常使用極限狀態(tài)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(gòu)筑物抗壓強度設(shè)計值；b 為計算寬度，mm，通常取空腔構(gòu)筑物的寬度；?為材料強度分項系數(shù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范取值；fy為構(gòu)筑物屈服強度設(shè)計值；As為構(gòu)筑物截面積，mm2。

在具體設(shè)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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

3.2 材料性能參數(shù)

材料性能參數(shù)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(gòu)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(gòu)筑物預(yù)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(biāo)。應(yīng)根據(jù)設(shè)計荷載、結(jié)構(gòu)類型、環(huán)境條件等因素確定選擇預(yù)制件強度，其計算過程如公式（2）所示。

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

式中：αc為預(yù)制件材料分項系數(shù)；fcm為預(yù)制件立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值。

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

預(yù)制件截面積的計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：M為彎矩設(shè)計值，kN?m；d為計算跨度，mm。

預(yù)制件間距應(yīng)滿足構(gòu)造要求，配筋率應(yīng)控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，保證預(yù)制件與預(yù)制件的共同工作效果。

3.3 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)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(shè)計和校核結(jié)構(gòu)安全性的重要依據(jù)。通常采用材料力學(xué)原理，結(jié)合規(guī)范規(guī)定的荷載組合和設(shè)計方法計算承載力。

預(yù)制式薄壁空腔構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計與校核的核心是準(zhǔn)確評估軸心受壓、偏心受壓、受彎及剪切等多種受力狀態(tài)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(shè)計值，kN。

當(dāng)計算偏心受壓、受彎、剪切等承載力時，必須綜合考慮構(gòu)件的幾何形態(tài)、荷載的分布情況以及材料的性能特點，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供堅實的理論基礎(chǔ)。

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(shù)

在電力工程電纜溝預(yù)制件應(yīng)用中，本案例研究的設(shè)計對象是矩形薄壁空腔結(jié)構(gòu)，如圖2所示。矩形截面受壓，中間段右側(cè)有一個槽口，它是空腔結(jié)構(gòu)形式，采用混凝土C30作為預(yù)制件的應(yīng)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(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2002）中的4.1.5條，混凝土的抗壓強度fck為30MPa，預(yù)制件材料分項系數(shù)為1.4，密度ρ為2360kg/m3，fcm預(yù)制件立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值為0.0201kN/mm2，預(yù)制件抗壓強度為35MPa，預(yù)制件屈服強度為0.0143kN/mm2。

4.2 薄壁受力參數(shù)分析

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

同時，根據(jù)地區(qū)應(yīng)用調(diào)研可知，電纜溝的上面會行駛汽車等，預(yù)計最大的軸心受壓承載力設(shè)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(shè)計的產(chǎn)品是符合實際場景的應(yīng)用，滿足壓力等指標(biāo)要求。

4.3 薄壁減碳分析

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

2360=113.28kg。

節(jié)約了113.28kg的材料，如果生產(chǎn)1t的水泥需要能耗為94kgce，標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)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(yù)制件進(jìn)行建設(shè)，能解決11.1萬t二氧化碳，考慮按照30%的現(xiàn)狀改造（老舊、適用性等）以及10%的負(fù)荷發(fā)展需求，則需要4.44萬t，由此可知，節(jié)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(yù)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(yù)制件在電力領(lǐng)域快速應(yīng)用。

5 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

[1] 姜曉敏，張崢，季彤天.預(yù)制裝配技術(shù)在電纜排管工程中的應(yīng)用[J].華東電力，2008（7）：104-106.

[2] 鐘維軍，金權(quán)，王建民，等.預(yù)制高性能混凝土（HPC）電纜溝的研制[J].混凝土與水泥制品，2021（1）：39-43.

[3] 李坤，董柯楠.預(yù)制混凝土電纜溝在水電工程的應(yīng)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(yù)制裝配式電纜排管工作井施工工藝及應(yīng)用[J].電力與能源，2024，45（1）：55-59.

[5]金靈芝.預(yù)應(yīng)力混凝土空心疊合板的受力性能和設(shè)計計算研究[D].長沙：中南大學(xué)，2008.

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

[7]董繼偉.裝配式建筑全壽命周期成本效益分析研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2019.