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        電力工程下的薄壁空腔結(jié)構(gòu)受力分析及應(yīng)用

        2024-12-19 00:00:00羅金閣肖俊陽馬偉哲吳新袁國權(quán)
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2024年23期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)特性受力分析

        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(diǎn)。針對薄壁空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)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(xiàng)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(diǎn),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(jì)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(jì)算時(shí),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(jì)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(gè)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(diǎn),研究引入預(yù)制構(gòu)筑物薄壁空腔關(guān)鍵技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)可以制作薄壁空腔預(yù)制件,具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、防火性能好等優(yōu)點(diǎn)。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(jì),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(shí),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(jì)和施工通常更加靈活,可以滿足不同的設(shè)計(jì)和施工要求。總而言之,預(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(qiáng)耐久性以及賦予設(shè)計(jì)更大的靈活性,展現(xiàn)了其獨(dú)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(qiáng)度和穩(wěn)定性。2)材料特性包括材料種類、強(qiáng)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(yùn)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(shí)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(jì)和施工時(shí)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(fèi)用等。這些因素會影響項(xiàng)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(gè)方面。在設(shè)計(jì)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(diǎn)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(qiáng)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(dú)特的力學(xué)性能[5],例如彈性模量、屈服強(qiáng)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(shí),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(jì)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(shí)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(jì)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(qiáng)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(jì)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值;b 為計(jì)算寬度,mm,通常取空腔構(gòu)筑物的寬度;?為材料強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù),根據(jù)相關(guān)規(guī)范取值;fy為構(gòu)筑物屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;As為構(gòu)筑物截面積,mm2。

        在具體設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)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(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等是評價(jià)其承載能力和耐久性的重要指標(biāo)。應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)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(qiáng)度,其計(jì)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(xiàng)系數(shù);fcm為預(yù)制件立方體抗壓強(qiáng)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(shí),必須綜合考慮結(jié)構(gòu)類型、設(shè)計(jì)荷載、預(yù)制件的強(qiáng)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(jì)算過程如公式(3)所示。

        (3)

        式中:M為彎矩設(shè)計(jì)值,kN?m;d為計(jì)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(jì)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(jì)方法計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)值,kN。

        當(dāng)計(jì)算偏心受壓、受彎、剪切等承載力時(shí),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(diǎn),為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)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(jì)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(gè)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(jì)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(jì)規(guī)范》(GB 50010—2002)中的4.1.5條,混凝土的抗壓強(qiáng)度fck為30MPa,預(yù)制件材料分項(xiàng)系數(shù)為1.4,密度ρ為2360kg/m3,fcm預(yù)制件立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為0.0201kN/mm2,預(yù)制件抗壓強(qiáng)度為35MPa,預(yù)制件屈服強(qiáng)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(jì)算壁厚:t===150.08mm。即設(shè)計(jì)薄壁空腔預(yù)制件時(shí),壁厚不能低于150.08mm。

        同時(shí),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(jì)最大的軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值為50kN,考慮30%裕度,使用公式計(jì)算軸心受壓承載力:N=·fck=×

        35=91.78kN。

        50kN/0.7<91.78kN,即設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是符合實(shí)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(gè)電纜井(4個(gè)面)減排:4×113.28/1000×2.46=1.11t。

        目前深圳供電局已有10萬個(gè)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(jì)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(jì)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(yùn)與組裝,還能有效減輕現(xiàn)場施工的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了施工效率與品質(zhì)。研究成果不僅推動(dòng)了綠色建筑與施工實(shí)踐,也為實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”提供了有力支持。

        參考文獻(xiàn)

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