电力工程下的薄壁空腔结构受力分析及应用

摘 要：随着大型城市在电力工程领域对预制件便捷性、轻量化等的要求提高，薄壁空腔结构的预制件应用成为重点。针对薄壁空腔结构设计关键技术在电力工程应用，本文提出了一种基于壁厚与应力的计算模型，剖析薄壁空腔预制件构造特征及其对力学性能指标，通过该模型计算限定应力值下的薄壁预制件壁厚，根据案例分析薄壁结构的受力参数特性，验证方法的合理性与科学性，为电力工程应用下的预制件选择提供参考。

关键词：薄壁空腔结构；受力分析；力学特性

中图分类号：TM 24 " 文献标志码：A

传统的现浇电缆沟井工艺与现代工程项目的高效、环保、耐用要求相比存在一定差距，在应用中逐渐显现局限性。预制式薄壁空腔构筑物因其施工速度快、效益高和环境影响小等优点，应用广泛。这种结构形式通常是工厂预先制造、现场装配，灵活且效率高，超越传统建筑技术。然而，薄壁空腔结构的受力特性复杂，且对设计参数的精确控制要求较高，因此，当进行薄壁空腔结构的受力分析和计算时，需要综合考虑结构的材料特性、几何形状、载荷条件等边界条件因素，保证计算结果的准确性和可靠性。

1 应用前景

深圳电力通道建造面临以下问题：施工环境复杂，大量现场施工导致施工周期长且成本高。传统建造方法效率低下，难以满足现代化城市快速发展的需求。除此之外，电力通道维护和检修也是一个难题，传统方法无法有效解决这些问题。

为了解决这些难点，研究引入预制构筑物薄壁空腔关键技术。这项技术可以制作薄壁空腔预制件，具有高强度、轻质、防火性能好等优点。使用这种预制件可以大幅缩短施工周期、降低成本、提高效率，并有效解决维护和检修难题[1-2]。这种预制构筑物薄壁空腔技术还可以节能减碳。通过优化电力通道的结构设计，可以减少材料的用量，从而降低能源消耗和减少碳排放。同时，应用这种技术还可以延长电力通道的使用寿命和提高耐久性，减少维修和更换的次数，进一步降低能源消耗和减少碳排放[3-4]。

2 关键参数

预制式薄壁空腔构筑物具有以下作用和优势：它们可以节省材料，提高施工效率，减轻质量，增加空间利用率，提高耐久性和灵活性。预制式薄壁空腔构筑物还可以减少现场施工产生的噪声和废物量，有助于环境保护。除此之外，预制式薄壁空腔构筑物的设计和施工通常更加灵活，可以满足不同的设计和施工要求。总而言之，预制式薄壁空腔构筑物是一种具有广泛应用前景的结构形式，可以为工程领域带来许多好处。

预制薄壁空腔构筑物通过使用优化材料，可以加速施工进程、减轻结构质量、提高空间效率、增强耐久性以及赋予设计更大的灵活性，展现了其独特的优势。预制式薄壁空腔构筑物关键参数如下。1）尺寸参数包括内径、外径、壁厚、高度、长度等。这些参数决定了构筑物的空间大小、承载能力和使用功能。例如，内径和高度决定了薄壁筒仓的储存容量，壁厚会影响结构的强度和稳定性。2）材料特性包括材料种类、强度、模量、耐久性等。这些特性直接影响构筑物的承载能力、抗渗性、抗腐蚀性和使用寿命。例如，选择合适的材料可以保证薄壁管道在长期使用中性能稳定。3）结构形式包括薄壁空腔结构的形状、支撑体系、连接方式等。这些因素决定了构筑物的稳定性和施工难度。例如，薄壁隧道的形状和支撑体系决定了其在使用过程中的稳定性和施工难度。4）预应力状态：如果构筑物采用预应力技术，那么预应力的大小、分布、锚固方式等是关键参数。这些参数决定了预制件的受力状态和承载能力。例如，预应力预制件薄壁筒仓的预应力状态可以提高其承载能力和抗裂性能。5）施工方法：预制工艺、运输方式、安装方法和接头处理等。这些因素影响构筑物的施工效率和质量。例如，采用合适的预制工艺可以提高薄壁管道的生产效率和质量。6）力学性能：承受的压力、弯矩、剪力以及构筑物在这些力作用下的应力、应变分布。这些参数可保障构筑物在实际应用中的安全性、保证可靠性和经济性。7）耐久性指标：例如抗渗性、抗腐蚀性、抗冻性等。这些指标可以保证构筑物在长期使用中的性能稳定，降低了维修和更换成本。8）安全系数：设计和施工时需要考虑的安全系数，保障构筑物在使用过程中的安全性。例如，适当的安全系数可以保证薄壁空腔构筑物在极端气候和自然灾害条件下的稳定性。9）环境适应性：构筑物对温度、湿度、地震等环境因素的适应能力。例如，薄壁隧道对温度和湿度的适应性可以保证其在不同气候条件下的性能稳定。10）经济性：预制构件的成本、施工效率、维护费用等。这些因素会影响项目的总体经济性，有利于降低成本、提高效益。

预制式薄壁空腔构筑物的关键参数及其作用包括结构尺寸、材料性能、结构形式、预应力状态、施工方法、力学性能、耐久性、安全性、环境适应性和经济性等多个方面。在设计和施工过程中，需要综合考虑这些参数，保障构筑物的结构安全、保证施工可行和经济合理。本文重点分析力学结构方面指标。

3 力学特性分析

薄壁空腔结构通常由薄壁板及内部空腔（部分空腔）构成，其几何特性涵盖壁厚、空腔的尺寸与形态等，这些几何参数对结构的刚性与强度有直接影响。在材料属性方面，常用的材料有钢、铝以及多种复合材料，每种材料都具备其独特的力学性能[5]，例如弹性模量、屈服强度等。由于构件形式复杂，因此在受力后的传力途径也相对复杂，当处理薄壁空腔结构时，必须关注其静力学方面的挑战，例如弯曲、扭转和剪切等问题。由于结构的薄壁特性，局部屈曲和整体稳定性是分析中的关键问题。因此，在预制式薄壁空腔构筑物的设计和评估过程中，准确的受力分析是保障结构安全和保证可靠的基础[6]。薄壁空腔结构整体思路如图1所示。

3.1 尺寸要求分析

尺寸规格包括内径、外径、壁厚、高度和长度等关键要素，这些规格对构筑物的空间配置、承载能力和功能实现至关重要。薄壁空腔构筑物的壁厚是决定其承载力、自身质量和经济效益的关键参数。确定壁厚应综合考虑结构类型、设计载荷、材料特性及施工条件等多方面因素。一般来说，壁厚应满足结构强度、稳定性和正常使用极限状态下的变形要求。壁厚的计算过程如公式（1）所示。

（1）

式中：t为壁厚，mm；fck为构筑物抗压强度设计值；b 为计算宽度，mm，通常取空腔构筑物的宽度；ϕ为材料强度分项系数，根据相关规范取值；fy为构筑物屈服强度设计值；As为构筑物截面积，mm²。

在具体设计过程中，必须综合考虑施工偏差、材料收缩与蠕变等影响，因此有必要适度增加壁厚保证结构的稳定性。

空腔的尺寸包括宽度、高度和长度，对构筑物的体积、保温隔热效果以及声学和防火性能有直接影响。应该遵循规范要求，并结合节能计算、声学模拟等分析方法确定空腔尺寸[7]。

3.2 材料性能参数

材料性能参数包括材料的类型、强度、弹性模量以及耐久性等方面，这些属性直接影响构筑物的承载性能、防水防渗能力、耐腐蚀性以及整体的使用年限。薄壁空腔构筑物预制件的立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度等是评价其承载能力和耐久性的重要指标。应根据设计荷载、结构类型、环境条件等因素确定选择预制件强度，其计算过程如公式（2）所示。

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

式中：αc为预制件材料分项系数；fcm为预制件立方体抗压强度标准值。

预制件的直径、间距以及配筋率等因素对构筑物的抗裂性能、抗剪能力和整体稳定性有决定性影响。因此，当配置预制件时，必须综合考虑结构类型、设计荷载、预制件的强度特性以及施工条件等多方面因素，保障构筑物在各种工况下的安全性和保证可靠性。

预制件截面积的计算过程如公式（3）所示。

（3）

式中：M为弯矩设计值，kN∙m；d为计算跨度，mm。

预制件间距应满足构造要求，配筋率应控制在规范允许范围内，保证预制件与预制件的共同工作效果。

3.3 结构性能参数

预制式薄壁空腔构筑物的承载力包括轴心受压、偏心受压、受弯、剪切等极限承载力，是设计和校核结构安全性的重要依据。通常采用材料力学原理，结合规范规定的荷载组合和设计方法计算承载力。

预制式薄壁空腔构筑物的结构安全性设计与校核的核心是准确评估轴心受压、偏心受压、受弯及剪切等多种受力状态下的极限承载能力。承载力的计算过程如公式（4）所示。

N=ϕ∙As∙fck " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中：N为轴心受压承载力设计值，kN。

当计算偏心受压、受弯、剪切等承载力时，必须综合考虑构件的几何形态、荷载的分布情况以及材料的性能特点，为结构设计提供坚实的理论基础。

将公式（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 案例参数

在电力工程电缆沟预制件应用中，本案例研究的设计对象是矩形薄壁空腔结构，如图2所示。矩形截面受压，中间段右侧有一个槽口，它是空腔结构形式，采用混凝土C30作为预制件的应用材料，计算宽度为800mm，跨度为200mm，电缆井的横向长度为1200mm。根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2002）中的4.1.5条，混凝土的抗压强度fck为30MPa，预制件材料分项系数为1.4，密度ρ为2360kg/m³，fcm预制件立方体抗压强度标准值为0.0201kN/mm²，预制件抗压强度为35MPa，预制件屈服强度为0.0143kN/mm2。

4.2 薄壁受力参数分析

根据上述案例参数，代入公式（5），计算壁厚：t===150.08mm。即设计薄壁空腔预制件时，壁厚不能低于150.08mm。

同时，根据地区应用调研可知，电缆沟的上面会行驶汽车等，预计最大的轴心受压承载力设计值为50kN，考虑30%裕度，使用公式计算轴心受压承载力：N=·fck=×

35=91.78kN。

50kN/0.7＜91.78kN，即设计的产品是符合实际场景的应用，满足压力等指标要求。

4.3 薄壁减碳分析

根据分析可知，在电力工程中应用薄壁空腔预制件，可以减轻电缆井的质量和减少碳排放，即根据已有参数可知，减少的质量为体积×密度：a∙b∙C×ρ=50×800×1200×10003×

2360=113.28kg。

节约了113.28kg的材料，如果生产1t的水泥需要能耗为94kgce，标准煤折算系数取2.46t，则单个电缆井（4个面）减排：4×113.28/1000×2.46=1.11t。

目前深圳供电局已有10万个电缆井，通过改造全部按照薄壁预制件进行建设，能解决11.1万t二氧化碳，考虑按照30%的现状改造（老旧、适用性等）以及10%的负荷发展需求，则需要4.44万t，由此可知，节能减碳效果比较好。

已知电缆井地面受力情况，可计算薄壁预制件的电缆井的最小壁厚，在满足外部受力和安全的情况下，要保证最少的物料、投资，使薄壁预制件在电力领域快速应用。

5 结论

本文深入探讨了薄壁空腔技术的应用需求及其关键参数，剖析了构件的力学特性与模型，并提出一套符合特定建设标准的薄厚设计方案，减少预制构筑物的质量与体积，简化现场施工流程，降低施工难度。轻量化的预制构件不仅便于搬运与组装，还能有效减轻现场施工的劳动强度，提高了施工效率与品质。研究成果不仅推动了绿色建筑与施工实践，也为实现“双碳目标”提供了有力支持。

参考文献

[1] 姜晓敏，张峥，季彤天.预制装配技术在电缆排管工程中的应用[J].华东电力，2008（7）：104-106.

[2] 钟维军，金权，王建民，等.预制高性能混凝土（HPC）电缆沟的研制[J].混凝土与水泥制品，2021（1）：39-43.

[3] 李坤，董柯楠.预制混凝土电缆沟在水电工程的应用[J].广东水利水电，2020（10）：70-73，93.

[4]梁亚伟，郭魏芬，杨子烨.沟槽式预制装配式电缆排管工作井施工工艺及应用[J].电力与能源，2024，45（1）：55-59.

[5]金灵芝.预应力混凝土空心叠合板的受力性能和设计计算研究[D].长沙：中南大学，2008.

[6]何大治.叠合式受弯构件正截面承载力的受力性能分析[D].武汉：武汉理工大学，2004.

[7]董继伟.装配式建筑全寿命周期成本效益分析研究[D].北京：北京交通大学，2019.