带扶壁柱电缆沟结构优化设计与参数分析

带扶壁柱电缆沟结构优化设计与参数分析

刘燕平张盈哲章李刚陈华

浙江华云电力工程设计咨询有限公司浙江杭州310014

摘要：电缆沟作为重要的基础设施之一，优化其结构可以在满足其安全可靠运行的基本前提下有效减少钢筋混凝土用量。本文提出带扶壁柱电缆沟形式，并采用PLAXIS2D有限元软件对新型电缆沟的优化效果进行数值分析，确定合理的设计参数，为实际工程使用提供参考依据。

关键词：电缆沟；扶壁柱设计；数值计算

引言

随着城镇化的不断推进，电网产业中的新建电力通道建设和架空线改成电缆（上改下）的工程也日益增多。电力通道一般都会以电缆沟的型式建造，电缆沟作为地下构筑物，其侧壁主要受到侧向土压力以及地面人行、车辆荷载竖向压力引起的附加侧向土压力作用，大小一般从浅至深逐渐增大，呈梯形分布。为满足结构受力要求，目前的电缆沟结构壁均较厚，一般需达到200~250mm。由于沟壁上部内力较小，上述设计导致余度很大，结构不合理，材料浪费。基于此，本文提出在沟壁一定间隔设置扶壁柱，分担沟壁的受力情况，减小沟壁厚度，从而节约材料的优化设计，并采用有限元软件对不同优化结构形式进行数值计算分析，为设计提供理论依据及技术指导，供不同工程中使用。

1有限元模型介绍

PLAXIS有限元程序是荷兰研制的专门用于岩土工程2D或3D变形和稳定性分析的有限元程序，在业界享有很好的声誉，主要缘于其先进的土体本构模型和高精度的网格单元。PLAXIS程序率先引入了土体硬化模型（HS）和小应变土体硬化模型（HSS）这两个高级本构模型，能够考虑土体刚度随应力状态的变化，反应了加载过程中由于土体不同部分的应变不同刚度的变化。图1为标准三轴固结排水试验时偏应力q与轴向应变-ε1的关系曲线，二者呈双曲线关系。针对电缆沟结构的特点，采用plaxis2D有限元软件对单回电缆沟断面进行计算分析，模型尺寸为10×5m（x×y），电缆沟侧壁及底板采用板单元，有限元模型如图2所示。

图1土体标准三轴固结排水试验曲线图2有限元计算模型

2扶壁柱优化效果分析

2.1扶壁柱效果评价指标

为评估扶壁柱对电缆沟结构的优化效果，定义扶壁柱优化效果η为

η=（M1-M2）/M1（1）

式中，M1为无扶壁柱下沟壁厚200mm时的弯矩，M2为有扶壁柱时电缆沟弯矩值。由式（6）可知，当η=0时，扶壁柱优化结构无效果；当0＜η＜1时，扶壁柱优化结构有效果；当η＜0时，扶壁柱的设置反而增加了结构受力变形。

2.2无扶壁柱工况计算结果分析

为验证扶壁柱优化效果，首先计算无扶壁柱工况，在计算过程中，将电缆沟的侧壁及底板按板单元考虑，为了更加符合电缆沟的实际尺寸情况，即侧部上部为盖板搁置处，因此在建模时将电缆沟侧壁分为两部分考虑，上部200mm按壁厚0.1m考虑，下部则按0.2m考虑。计算步骤如下：（1）平衡地应力场；（2）激活电缆沟结构；（3）电缆沟内土体开挖。

图3为整体位移及弯矩分布云图，从图中可以明显看到，电缆沟底板中间位置处的土体位移最大，电缆沟侧壁位置处的土体位移相对较小。电缆沟的总位移为9.2mm，其中，水平方向位移最大值为3.5mm，出现在电缆沟侧壁顶部位置处；竖向位移值为8.0~8.5mm之间，电缆沟上各点的竖向位移值相差不大，总体呈现为向上隆起的变形情况。弯矩最大值出现在电缆沟侧壁及底板的交界处，其中底板的总体弯矩相对侧壁较大。对于侧壁而言，其上半部分弯矩明显小于下半部分的。因此在设计时应重点考虑电缆沟侧壁下半部分的弯矩及底板的弯矩情况。

图5不同间距下扶壁柱优化效率图

由上图中可知，扶壁柱下部水平宽度W较小时，其优化效果随上部垂直高度H的变化影响较小，随着W的增加，优化效果随H的增加呈非线性变化，W越大，非线性越明显，在H=0.7m时优化效果变化最明显；下