姜憲

（國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000）

新型預(yù)制裝配式電纜操作工井設(shè)計(jì)研究

姜憲

（國網(wǎng)浙江省電力公司金華供電公司，浙江 金華 321000）

針對(duì)目前現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的操作工井施工周期長(zhǎng)、材料浪費(fèi)、對(duì)環(huán)境影響較大等不足，提出采用高強(qiáng)輕質(zhì)的壓型鋼板-陶粒混凝土組合材料預(yù)制成電纜操作工井的拼接單元，對(duì)拼接單元的連接部進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，通過有限元軟件對(duì)井體的受力狀況進(jìn)行分析，校驗(yàn)新型材料的可靠性，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆操作工井進(jìn)行經(jīng)濟(jì)及環(huán)境影響比較，得出建議性結(jié)論。

電纜工作井；壓型鋼板-陶粒混凝土；預(yù)制；裝配式；有限元；技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

0 引言

國內(nèi)的電纜工井大多采用整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于我國目前尚未頒布此類地下中小型工作井的設(shè)計(jì)規(guī)范，只能參考相關(guān)的荷載規(guī)范和混凝土規(guī)范按平面鋼架計(jì)算模型做保守設(shè)計(jì)，或參考現(xiàn)澆電纜工井標(biāo)準(zhǔn)圖集，其設(shè)計(jì)結(jié)果在材料用量上往往有浪費(fèi)，且整體現(xiàn)澆混凝土的電纜工井的施工過程對(duì)環(huán)境也有一定影響，在此背景之下，提出了預(yù)制拼裝式的操作工井。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)現(xiàn)澆操作工井的諸多問題做了一些研究，文獻(xiàn)[1]對(duì)預(yù)制電纜工井提出了采用新型輕骨料材料結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[2]對(duì)預(yù)制電纜工井的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)分析；文獻(xiàn)[3]對(duì)預(yù)制裝配式鋼筋混凝土電纜工井進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但上述論文并未對(duì)新型輕骨料材料預(yù)制墻板的拼接方法及細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行足夠的論述。以下針對(duì)采用新型壓型鋼板-陶?；炷敛牧系念A(yù)制裝配式工井，對(duì)其受力特性、拼接方式、細(xì)部設(shè)計(jì)、造價(jià)分析等方面進(jìn)行論證。

1 預(yù)制裝配式工井的優(yōu)勢(shì)

與整體現(xiàn)澆混凝土電纜工井相比，預(yù)制裝配式電纜工井具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)及相應(yīng)的操作工序，明顯加快施工速度，縮短工期，從而大大減輕對(duì)路面交通的影響。

（2）在傳統(tǒng)的砌體砌筑或現(xiàn)澆電纜井施工方法中，由于采用商品混凝土?xí)r由專用的混凝土攪拌車運(yùn)輸，運(yùn)送費(fèi)用較大，并且在井體砌筑時(shí)也存在砌塊的浪費(fèi)，相比之下采用預(yù)制式電纜工井，所需人工較少，材料用量可控，可明顯節(jié)省人工及材料成本。

（3）節(jié)省鋼材和混凝土，提高模板的重復(fù)利用率。

（4）砌體砌筑或現(xiàn)澆電纜井的質(zhì)量由施工人員控制，建立檢察監(jiān)督很容易受到人為因素的影響，預(yù)制式電纜井作為定型產(chǎn)品，每個(gè)預(yù)制件都可設(shè)置有序編號(hào)，且混凝土質(zhì)量更有保證。

（5）對(duì)環(huán)境的污染大為減小。

2 壓型鋼板-陶?；炷敛牧系膽?yīng)用

陶?；炷潦墙陙戆l(fā)展比較迅速的一種輕質(zhì)混凝土，與加氣混凝土同屬于多孔混凝土。陶?；炷恋亩x是：采用發(fā)泡劑通過機(jī)械制出，再加入膠凝材料漿體，制成料漿，然后成型或現(xiàn)澆，經(jīng)過自然養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)所形成的微孔輕質(zhì)材料。由此可見，陶?；炷羺^(qū)別于加氣混凝土之處在于：前者是物理發(fā)泡，自然養(yǎng)護(hù)或蒸汽養(yǎng)護(hù)均可；后者是化學(xué)發(fā)泡，通常要求蒸汽養(yǎng)護(hù)。由于不需蒸汽養(yǎng)護(hù)，使得陶?；炷猎诂F(xiàn)場(chǎng)施工澆筑的便利程度上大大優(yōu)于加氣混凝土，具備能夠應(yīng)用于現(xiàn)澆工程施工中的特點(diǎn)。

陶?；炷潦抢酶邚?qiáng)輕粗集料（在我國通常稱其為高強(qiáng)陶粒）、普通砂、水泥和水配制而成的表觀密度不大于1 950 kg/m3，強(qiáng)度等級(jí)為C30以上的結(jié)構(gòu)用輕質(zhì)混凝土。除了和普通混凝土一樣牽涉到粗、細(xì)集料、水泥和水以外，所不同的是還涉及到表觀密度的最大限值和最小的強(qiáng)度等級(jí)限值。高強(qiáng)輕質(zhì)防腐混凝土具有如下特點(diǎn)：

（1）輕質(zhì)高強(qiáng)。高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的表觀密度一般為1 560～1 950 kg/m3，重量比普通混凝土減輕了20%～40%，而強(qiáng)度可達(dá)到或超過普通混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。

（2）耐久性能好。在高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土中，由于高強(qiáng)陶粒的多孔性及其粗骨料和水泥砂漿之間過渡區(qū)的高品質(zhì)材料，以及骨料和水泥漿體之間的彈性協(xié)調(diào)，其耐久性特別是抗凍性、抗?jié)B性、抗氯鹽和海水腐蝕能力等均好于普通混凝土。

（3）無堿骨料反應(yīng)。高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土中的高強(qiáng)陶粒表面具有良好的火山灰活性，也是一種堿活性很強(qiáng)的骨料，但因?yàn)樗亩嗫仔?，可以緩解它和混凝土中堿性物質(zhì)反應(yīng)形成的巨大應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)免遭破壞。

（4）體積穩(wěn)定性好。大量研究表明，雖然在相同水泥用量的情況下，高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的水化熱最高溫升比普通混凝土略高，收縮率也比較大，但由于它的多孔性賦予它較好的保溫、隔熱性能，較低的線脹系數(shù)和彈性模量，使其無論是早期水化熱引起的內(nèi)外溫差，還是后期混凝土收縮較大引起的溫度—收縮應(yīng)力，都較同條件的普通混凝土低。

壓型鋼板—混凝土組合結(jié)構(gòu)是在20世紀(jì)30年代末開始發(fā)展的，主要用于高層建筑中，引入我國大概是在20世紀(jì)80年代初。由于混凝土強(qiáng)度較低，而壓型鋼板強(qiáng)度較高，能在組合板不配筋的情況下作為預(yù)制板使用，可以彌補(bǔ)混凝土的缺陷；壓型鋼板單獨(dú)受力容易發(fā)生整體或局部失穩(wěn)破壞，混凝土的填充可以很好地改善壓型鋼板的受力性能，增加組合板的穩(wěn)定性。

3 新型預(yù)制裝配式操作工井的設(shè)想

基于對(duì)城市環(huán)境及道路交通情況的考慮及新型陶?；炷敛牧系膽?yīng)用可靠性，提出了壓型鋼板-陶?；炷令A(yù)制裝配式工井的設(shè)想。

壓型鋼板-陶?；炷令A(yù)制裝配式工井由側(cè)板、底板、端板拼裝而成，井體開挖完成后，預(yù)先吊裝工井底板，底板采用鋼筋混凝土-陶?；炷两M合預(yù)制板，此預(yù)制板具有強(qiáng)度高、質(zhì)量較普通混凝土板輕等優(yōu)點(diǎn)；側(cè)板采用壓型鋼板-陶?；炷两M合預(yù)制板，具有整體性好、質(zhì)輕、易于吊裝等優(yōu)點(diǎn)。側(cè)板如果整片吊裝，混凝土預(yù)制件重量較大，在與底板拼接施工上存在較大困難，故對(duì)于高度2 m左右的預(yù)制板考慮分成2片預(yù)制板拼接，側(cè)板與底板拼接完成后，再吊裝端板拼接入預(yù)制凹槽中，最后完成接縫處理。

3.1 拼接細(xì)部設(shè)計(jì)

預(yù)制工井的側(cè)板上下拼接采用鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)。鋼筋套筒灌漿連接的原理是：透過鑄造的中空型套筒，鋼筋從一端開口穿入套筒內(nèi)部，不需要搭接或融接，在套筒兩端設(shè)灌漿孔和出孔，相鄰套筒之間為連通狀態(tài)，鋼筋與套筒間填充高強(qiáng)度微膨脹結(jié)構(gòu)性砂漿，即完成鋼筋續(xù)接動(dòng)作。其連接的機(jī)理主要是借助砂漿受到套筒的圍束作用，加上本身具有微膨脹特性，增強(qiáng)與鋼筋、套筒內(nèi)側(cè)間的正向作用力，鋼筋即通過該正向力與粗糙表面產(chǎn)生的摩擦力來傳遞鋼筋應(yīng)力。

在側(cè)板與端板單元接口處設(shè)置凹凸槽，并在預(yù)制件中預(yù)埋連接螺栓，拼裝完成后，用聯(lián)板固定，并涂刷環(huán)氧樹脂基復(fù)合防腐涂料。在槽的縫隙邊緣嵌入遇水膨脹橡膠封口，再用模板支護(hù)，從頂端壓力注入混凝土。

3.2 力學(xué)分析

由于電纜工井埋設(shè)于地表之下，頂部承受車輛荷載及覆土重量，底部承受地基反力和檢修荷載，兩側(cè)板則受井身周圍土體的主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力作用，且土體與井身相互約束，再加上地下水的作用，受力較復(fù)雜。以直線型電纜工井為例，該工井外輪廓尺寸為1.8 m（長(zhǎng)）×1.9 m（寬）×3 m（高），側(cè)板厚度為0.2 m，頂板、底板厚度為0.2 m，頂板面離地面0.3 m，由于路面車載產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力沿側(cè)板呈梯形分布，同時(shí)土與井體的接觸關(guān)系具有只受壓、不受拉的特點(diǎn)，井體承受的荷載及邊界條件均較復(fù)雜，使用傳統(tǒng)解析方法分析的計(jì)算精度差或難以求解，因此利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)壓型鋼板-陶?；炷敛僮鞴ぞM(jìn)行靜力分析。

由于井體各部分較厚，因此需考慮建立對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，有限元模型中用厚板單元進(jìn)行模擬，分析得到上述荷載作用下工井的應(yīng)力分布以及位移分布。

通過有限元計(jì)算可以得到，工井的開孔處、頂板側(cè)板的跨中位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，電纜工井井體最大彎矩集中在側(cè)板與底板、側(cè)板與頂板的連接處，最大軸力集中在側(cè)板與底板的交接處。按照厚度200 mm的陶?；炷令A(yù)制板進(jìn)行有限元靜力計(jì)算，得到最大主應(yīng)力為1.6 MPa，大部分區(qū)域主應(yīng)力均小于0.6 MPa，低于陶?；炷翉?qiáng)度，井體縱向最大位移出線在端板開孔附近，故在端板開孔處布置一圈鋼筋，并提高陶?；炷恋膹?qiáng)度等級(jí)。考慮在預(yù)制板吊裝過程中產(chǎn)生的附加彎矩影響，在陶粒混凝土中預(yù)埋壓型鋼板，以增加預(yù)制板整體剛度，抵抗板下部產(chǎn)生的拉力。通過計(jì)算可知，采用陶?；炷链嫫胀ɑ炷磷鳛楣ぞ畨w是可行的，并且在墻板中預(yù)制壓型鋼板更增加了預(yù)制板的剛度和強(qiáng)度。

3.3 與傳統(tǒng)現(xiàn)澆工井的對(duì)比分析

（1）施工工期對(duì)比。傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土操作工井從開挖、平整、支模、澆筑到養(yǎng)護(hù)往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，且施工易受天氣影響。而拼接組裝式的電纜工井預(yù)制板可采用工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)規(guī)范化拼裝，節(jié)省了支模、綁扎鋼筋、混凝土養(yǎng)護(hù)等施工工序，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)工作量，并且可一次性連續(xù)安裝，采用現(xiàn)澆工藝澆筑一座工井需1周，還需要28天的養(yǎng)護(hù)期；而采用預(yù)制拼接式工井，拼裝只需2～3天即可全部完成，大大縮短施工工期。

（2）工程造價(jià)對(duì)比。陶粒混凝土重量約為普通混凝土的55%，拼裝完成的預(yù)制鋼-陶粒混凝土墻約為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻的70%，雖然陶?；炷梁蛪盒弯摪宓膯蝺r(jià)較普通混凝土和鋼筋稍高，但預(yù)制板節(jié)省了人工費(fèi)用，且單位用量要低。

（3）環(huán)境影響評(píng)估對(duì)比?，F(xiàn)澆混凝土工作井的泥漿和砂石等建筑垃圾不易完全清理，需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行路面恢復(fù)，對(duì)道路周邊綠化環(huán)境造成污染，且極易引起道路擁堵。預(yù)制式工井拼裝工期短，現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)便，在夜間施工即可完成，不會(huì)造成道路交通堵塞，且預(yù)制板在廠家澆筑完成，不存在建筑垃圾的問題，大大減少了對(duì)周邊環(huán)境的影響。

4 結(jié)語

壓型鋼板-陶?；炷令A(yù)制裝配式操作工井與傳統(tǒng)現(xiàn)澆操作工井相比，在施工周期、工程造價(jià)、環(huán)境影響等方面均有較大優(yōu)勢(shì)，但裝配式操作工井的連接細(xì)部處理仍有較大的優(yōu)化空間，基于造價(jià)更省、性能更優(yōu)的原則，在材料的選擇上也有不斷開發(fā)的余地，隨著社會(huì)和科技的不斷進(jìn)步，相信預(yù)制裝配式基礎(chǔ)將成為今后電纜操作工井的主流發(fā)展趨勢(shì)。

[1]鄭宏宇，周雄，彭杰，等.預(yù)制混凝土空心板式電纜工作井技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2014，41（4）∶56-59.

[2]穆鵬飛.新型電力工作井力學(xué)性能及應(yīng)用研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[3]余濤，趙于鵬.預(yù)制裝配式鋼筋混凝土檢查井優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].工程建筑，2011（3）∶33-34.

（本文編輯：徐 晗）

Design and Study on A New Type of Prefabricated Cable Working Shaft

JIANG Xian

（State Grid Jinhua Power Supply Company，Jinhua Zhejiang 321000，China）

Aiming at long construction period，considerable material consumption and the impact on environment of the present cable work well with cast-in-place concrete structure，the paper suggests adoption of a high-strength lightweight combination of profiled steel sheet and ceramisite concrete to prefabricate splicing units for cable working shaft；then，it proposes a refinement design of the connection part of the splicing unit. By the finite element software，the paper analyzes the stress of the shaft body to check the reliability of the new material.The new cable working shaft is compared with traditional cast-in-place working shaft in terms of economic and environmental impact to draw an advisory conclusion.

cable working shaft；profiled steel sheet-ceramisite concrete；precast；fabricated；finite element；technical and economic comparison

TM757

B

1007-1881（2016）10-0081-03

2016-09-08

姜 憲（1957），男，高級(jí)工程師，從事電力企業(yè)、電力工程建設(shè)管理工作。