新型预制装配式电缆操作工井设计研究

姜宪

（国网浙江省电力公司金华供电公司，浙江 金华 321000）

新型预制装配式电缆操作工井设计研究

姜宪

（国网浙江省电力公司金华供电公司，浙江 金华 321000）

针对目前现浇混凝土结构的操作工井施工周期长、材料浪费、对环境影响较大等不足，提出采用高强轻质的压型钢板-陶粒混凝土组合材料预制成电缆操作工井的拼接单元，对拼接单元的连接部进行细化设计，通过有限元软件对井体的受力状况进行分析，校验新型材料的可靠性，与传统现浇操作工井进行经济及环境影响比较，得出建议性结论。

电缆工作井；压型钢板-陶粒混凝土；预制；装配式；有限元；技术经济比较

0 引言

国内的电缆工井大多采用整体现浇钢筋混凝土结构，由于我国目前尚未颁布此类地下中小型工作井的设计规范，只能参考相关的荷载规范和混凝土规范按平面钢架计算模型做保守设计，或参考现浇电缆工井标准图集，其设计结果在材料用量上往往有浪费，且整体现浇混凝土的电缆工井的施工过程对环境也有一定影响，在此背景之下，提出了预制拼装式的操作工井。

近年来，国内外学者针对现浇操作工井的诸多问题做了一些研究，文献[1]对预制电缆工井提出了采用新型轻骨料材料结构；文献[2]对预制电缆工井的力学性能进行了详细分析；文献[3]对预制装配式钢筋混凝土电缆工井进行了优化设计，但上述论文并未对新型轻骨料材料预制墙板的拼接方法及细节设计进行足够的论述。以下针对采用新型压型钢板-陶粒混凝土材料的预制装配式工井，对其受力特性、拼接方式、细部设计、造价分析等方面进行论证。

1 预制装配式工井的优势

与整体现浇混凝土电缆工井相比，预制装配式电缆工井具有以下优势：

（1）减少现场湿作业及相应的操作工序，明显加快施工速度，缩短工期，从而大大减轻对路面交通的影响。

（2）在传统的砌体砌筑或现浇电缆井施工方法中，由于采用商品混凝土时由专用的混凝土搅拌车运输，运送费用较大，并且在井体砌筑时也存在砌块的浪费，相比之下采用预制式电缆工井，所需人工较少，材料用量可控，可明显节省人工及材料成本。

（3）节省钢材和混凝土，提高模板的重复利用率。

（4）砌体砌筑或现浇电缆井的质量由施工人员控制，建立检察监督很容易受到人为因素的影响，预制式电缆井作为定型产品，每个预制件都可设置有序编号，且混凝土质量更有保证。

（5）对环境的污染大为减小。

2 压型钢板-陶粒混凝土材料的应用

陶粒混凝土是近年来发展比较迅速的一种轻质混凝土，与加气混凝土同属于多孔混凝土。陶粒混凝土的定义是：采用发泡剂通过机械制出，再加入胶凝材料浆体，制成料浆，然后成型或现浇，经过自然养护或蒸汽养护所形成的微孔轻质材料。由此可见，陶粒混凝土区别于加气混凝土之处在于：前者是物理发泡，自然养护或蒸汽养护均可；后者是化学发泡，通常要求蒸汽养护。由于不需蒸汽养护，使得陶粒混凝土在现场施工浇筑的便利程度上大大优于加气混凝土，具备能够应用于现浇工程施工中的特点。

陶粒混凝土是利用高强轻粗集料（在我国通常称其为高强陶粒）、普通砂、水泥和水配制而成的表观密度不大于1 950 kg/m3，强度等级为C30以上的结构用轻质混凝土。除了和普通混凝土一样牵涉到粗、细集料、水泥和水以外，所不同的是还涉及到表观密度的最大限值和最小的强度等级限值。高强轻质防腐混凝土具有如下特点：

（1）轻质高强。高强轻质混凝土的表观密度一般为1 560～1 950 kg/m3，重量比普通混凝土减轻了20%～40%，而强度可达到或超过普通混凝土的强度等级。

（2）耐久性能好。在高强轻质混凝土中，由于高强陶粒的多孔性及其粗骨料和水泥砂浆之间过渡区的高品质材料，以及骨料和水泥浆体之间的弹性协调，其耐久性特别是抗冻性、抗渗性、抗氯盐和海水腐蚀能力等均好于普通混凝土。

（3）无碱骨料反应。高强轻质混凝土中的高强陶粒表面具有良好的火山灰活性，也是一种碱活性很强的骨料，但因为它的多孔性，可以缓解它和混凝土中碱性物质反应形成的巨大应力，使混凝土结构免遭破坏。

（4）体积稳定性好。大量研究表明，虽然在相同水泥用量的情况下，高强轻质混凝土的水化热最高温升比普通混凝土略高，收缩率也比较大，但由于它的多孔性赋予它较好的保温、隔热性能，较低的线胀系数和弹性模量，使其无论是早期水化热引起的内外温差，还是后期混凝土收缩较大引起的温度—收缩应力，都较同条件的普通混凝土低。

压型钢板—混凝土组合结构是在20世纪30年代末开始发展的，主要用于高层建筑中，引入我国大概是在20世纪80年代初。由于混凝土强度较低，而压型钢板强度较高，能在组合板不配筋的情况下作为预制板使用，可以弥补混凝土的缺陷；压型钢板单独受力容易发生整体或局部失稳破坏，混凝土的填充可以很好地改善压型钢板的受力性能，增加组合板的稳定性。

3 新型预制装配式操作工井的设想

基于对城市环境及道路交通情况的考虑及新型陶粒混凝土材料的应用可靠性，提出了压型钢板-陶粒混凝土预制装配式工井的设想。

压型钢板-陶粒混凝土预制装配式工井由侧板、底板、端板拼装而成，井体开挖完成后，预先吊装工井底板，底板采用钢筋混凝土-陶粒混凝土组合预制板，此预制板具有强度高、质量较普通混凝土板轻等优点；侧板采用压型钢板-陶粒混凝土组合预制板，具有整体性好、质轻、易于吊装等优点。侧板如果整片吊装，混凝土预制件重量较大，在与底板拼接施工上存在较大困难，故对于高度2 m左右的预制板考虑分成2片预制板拼接，侧板与底板拼接完成后，再吊装端板拼接入预制凹槽中，最后完成接缝处理。

3.1 拼接细部设计

预制工井的侧板上下拼接采用钢筋套筒灌浆连接技术。钢筋套筒灌浆连接的原理是：透过铸造的中空型套筒，钢筋从一端开口穿入套筒内部，不需要搭接或融接，在套筒两端设灌浆孔和出孔，相邻套筒之间为连通状态，钢筋与套筒间填充高强度微膨胀结构性砂浆，即完成钢筋续接动作。其连接的机理主要是借助砂浆受到套筒的围束作用，加上本身具有微膨胀特性，增强与钢筋、套筒内侧间的正向作用力，钢筋即通过该正向力与粗糙表面产生的摩擦力来传递钢筋应力。

在侧板与端板单元接口处设置凹凸槽，并在预制件中预埋连接螺栓，拼装完成后，用联板固定，并涂刷环氧树脂基复合防腐涂料。在槽的缝隙边缘嵌入遇水膨胀橡胶封口，再用模板支护，从顶端压力注入混凝土。

3.2 力学分析

由于电缆工井埋设于地表之下，顶部承受车辆荷载及覆土重量，底部承受地基反力和检修荷载，两侧板则受井身周围土体的主动土压力和被动土压力作用，且土体与井身相互约束，再加上地下水的作用，受力较复杂。以直线型电缆工井为例，该工井外轮廓尺寸为1.8 m（长）×1.9 m（宽）×3 m（高），侧板厚度为0.2 m，顶板、底板厚度为0.2 m，顶板面离地面0.3 m，由于路面车载产生的主动土压力沿侧板呈梯形分布，同时土与井体的接触关系具有只受压、不受拉的特点，井体承受的荷载及边界条件均较复杂，使用传统解析方法分析的计算精度差或难以求解，因此利用有限元结构分析软件对压型钢板-陶粒混凝土操作工井进行静力分析。

由于井体各部分较厚，因此需考虑建立对结构内力的影响，有限元模型中用厚板单元进行模拟，分析得到上述荷载作用下工井的应力分布以及位移分布。

通过有限元计算可以得到，工井的开孔处、顶板侧板的跨中位置存在应力集中现象，电缆工井井体最大弯矩集中在侧板与底板、侧板与顶板的连接处，最大轴力集中在侧板与底板的交接处。按照厚度200 mm的陶粒混凝土预制板进行有限元静力计算，得到最大主应力为1.6 MPa，大部分区域主应力均小于0.6 MPa，低于陶粒混凝土强度，井体纵向最大位移出线在端板开孔附近，故在端板开孔处布置一圈钢筋，并提高陶粒混凝土的强度等级。考虑在预制板吊装过程中产生的附加弯矩影响，在陶粒混凝土中预埋压型钢板，以增加预制板整体刚度，抵抗板下部产生的拉力。通过计算可知，采用陶粒混凝土代替普通混凝土作为工井墙体是可行的，并且在墙板中预制压型钢板更增加了预制板的刚度和强度。

3.3 与传统现浇工井的对比分析

（1）施工工期对比。传统现浇混凝土操作工井从开挖、平整、支模、浇筑到养护往往需要较长时间，且施工易受天气影响。而拼接组装式的电缆工井预制板可采用工厂化生产，现场规范化拼装，节省了支模、绑扎钢筋、混凝土养护等施工工序，减少了施工现场工作量，并且可一次性连续安装，采用现浇工艺浇筑一座工井需1周，还需要28天的养护期；而采用预制拼接式工井，拼装只需2～3天即可全部完成，大大缩短施工工期。

（2）工程造价对比。陶粒混凝土重量约为普通混凝土的55%，拼装完成的预制钢-陶粒混凝土墙约为普通钢筋混凝土结构墙的70%，虽然陶粒混凝土和压型钢板的单价较普通混凝土和钢筋稍高，但预制板节省了人工费用，且单位用量要低。

（3）环境影响评估对比。现浇混凝土工作井的泥浆和砂石等建筑垃圾不易完全清理，需要较长时间进行路面恢复，对道路周边绿化环境造成污染，且极易引起道路拥堵。预制式工井拼装工期短，现场施工简便，在夜间施工即可完成，不会造成道路交通堵塞，且预制板在厂家浇筑完成，不存在建筑垃圾的问题，大大减少了对周边环境的影响。

4 结语

压型钢板-陶粒混凝土预制装配式操作工井与传统现浇操作工井相比，在施工周期、工程造价、环境影响等方面均有较大优势，但装配式操作工井的连接细部处理仍有较大的优化空间，基于造价更省、性能更优的原则，在材料的选择上也有不断开发的余地，随着社会和科技的不断进步，相信预制装配式基础将成为今后电缆操作工井的主流发展趋势。

[1]郑宏宇，周雄，彭杰，等.预制混凝土空心板式电缆工作井技术经济分析[J].建筑技术开发，2014，41（4）∶56-59.

[2]穆鹏飞.新型电力工作井力学性能及应用研究[D].上海：同济大学，2007.

[3]余涛，赵于鹏.预制装配式钢筋混凝土检查井优化设计研究[J].工程建筑，2011（3）∶33-34.

（本文编辑：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 宪（1957），男，高级工程师，从事电力企业、电力工程建设管理工作。