大斷面電纜研究報(bào)告

1、大斷面電纜研究報(bào)告1.研究對(duì)象 1.1研究對(duì)象 本課題的研究對(duì)象是大斷面電纜隧道(如圖1-1)，其主要由以下八部分組成： (1)建筑部分 (2)結(jié)構(gòu)部分 (3)通風(fēng)部分 (4)消防部分 (5)電氣部分 (6)照明部分 (7)給排水部分 (8)電纜敷設(shè)部分 圖1 1 大斷面電纜隧道 1.2 大斷面科研的研究?jī)?nèi)容 大斷面隧道科研分為三階段完成。 第一階段的主要研究?jī)?nèi)容為： (1)電纜隧道相關(guān)文獻(xiàn)資料的收集與分析； (2)管片隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)。 第二階段的主要研究?jī)?nèi)容為： (1)大斷面電纜管片隧道（T型接口）足尺模型的建立與試驗(yàn)結(jié)果分析； (2)大斷面隧道內(nèi)部電纜布置方案及其分析； (3)大斷面長(zhǎng)

2、距離隧道段的通風(fēng)與消防模式與分析； (4)大斷面隧道的照明與排水方案與分析； (5)電纜內(nèi)部支架、主要構(gòu)件力學(xué)分析； (6)大斷面隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算分析； (7)電纜布置、通風(fēng)、消防、照明、排水方案分析與選擇； (8)初步成果在大斷面電纜隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用； (9)提交階段性研究報(bào)告。第三階段的主要研究?jī)?nèi)容為： (1)大斷面電纜隧道的管片隧道模型力學(xué)分析； (2)大斷面電纜隧道的管片隧道+內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體力學(xué)分析； (3)大斷面電纜隧道通風(fēng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬； (4)大斷面電纜管片隧道設(shè)計(jì)與通風(fēng)模式比選分析； (5)工作井、材料出入口、人員進(jìn)出口的合理布置方式； (6)隧道分層布置及上下

3、隧道層通風(fēng)與控制模式； (7)研究成果在大斷面電纜隧道設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用； (8)研究成果在設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)化確定合理斷面布置、支架力學(xué)參數(shù)、 通風(fēng)模型與參數(shù)、照面布置等。2.研究意義 現(xiàn)代化城市高負(fù)荷密度的城區(qū)，土地資源極其珍貴，架空線走廊資源愈來(lái)愈受到限制，市政規(guī)劃、景觀及環(huán)保的要求愈來(lái)愈高，而采用地下電纜隧道改造城區(qū)電網(wǎng)，可以節(jié)省線路走廊和環(huán)境資源，輸、配電線路實(shí)施地下化已是勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)外電纜隧道建設(shè)的實(shí)踐表明，它是城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的一種很好形式，可以把110kV、220kV高壓，乃至500kV超高壓直接引入中心城區(qū)，使電網(wǎng)與城市建設(shè)得以和諧、協(xié)調(diào)的持續(xù)發(fā)展。 電纜線路在運(yùn)行中，輸送較大的

4、容量同時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，若隧道內(nèi)部通風(fēng)效果不理想，隧道內(nèi)的溫度就不斷升高，電纜線路的輸送容量也因此會(huì)受到限制。所以研究合理的隧道內(nèi)通風(fēng)和消防模式，不僅能維護(hù)電纜隧道內(nèi)穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，而且還能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)隧道內(nèi)部可能產(chǎn)生的安全隱患，防患于未然。 同時(shí)，隨著負(fù)荷電流變化及環(huán)境溫度變化，電力電纜會(huì)發(fā)生熱伸縮。電纜線芯的熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生非常大的熱機(jī)械力，電纜線芯截面越大，產(chǎn)生的熱機(jī)械力就越大。線芯和金屬護(hù)套還會(huì)應(yīng)熱脹冷縮的多次循環(huán)而產(chǎn)生蠕變。熱伸縮對(duì)電力電纜長(zhǎng)期運(yùn)行構(gòu)成威脅，會(huì)造成運(yùn)行電纜位移，滑落，甚至損壞電纜及附件。針對(duì)上述情況，需要根據(jù)電纜的重量、允許牽引力、側(cè)壓力和摩擦系數(shù)、各段電纜最大敷設(shè)

5、長(zhǎng)度和電纜按短路電動(dòng)力確定所需預(yù)固定的距離等因素，合理、有效的使用隧道內(nèi)空間。 在圓形電纜隧道中，若采用直立型支架（如圖2 1所示），由于是圓形斷面，直立型支架的左右兩邊均有較大的間隙，而且要保證中間檢修通道的寬度，能敷設(shè)電纜電路的回路數(shù)相對(duì)較少，經(jīng)濟(jì)效果不理想。本課題采用新型的的環(huán)形支架，其弧形結(jié)構(gòu)可以緊貼隧道的圓形表面，與采用直立型支架相比，在不增加外部空間資源和保證安檢通道間距的前提下，合理擴(kuò)展了電纜隧道內(nèi)部的使用空間，增加了電纜的敷設(shè)回路數(shù)。圖2 1 直立型支架電纜隧道截面 因此，通過(guò)對(duì)電纜布置、通風(fēng)、消防、照明、排水及內(nèi)部主要受力構(gòu)件的分析與選擇，可以明確大斷面電纜隧道的電纜布置路線

6、，對(duì)電纜隧道內(nèi)部通風(fēng)機(jī)理進(jìn)行深入的研究，把理論分析和實(shí)際工程聯(lián)系起來(lái)。從本質(zhì)上去解析和解決在工程建設(shè)中遇到的各種問(wèn)題，對(duì)于電纜隧道設(shè)計(jì)有至關(guān)重要的作用，其成果不僅可以為主管部門和政府決策部門提供有效的參考，而且可以提高相關(guān)工程的質(zhì)量，降低造價(jià)，使之真正做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理；還可以積累資料，為我國(guó)大斷面電纜隧道的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和研究方法，完善我國(guó)大斷面電纜設(shè)計(jì)和研究作出貢獻(xiàn)。3.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外大多數(shù)城區(qū)變電站都通過(guò)電纜與電網(wǎng)相連，為改善城市中心商業(yè)區(qū)及其周圍地區(qū)電力系統(tǒng)，以保證在該地區(qū)居住和工作的人能獲得安全和可靠的電力供應(yīng)。電纜隧道是把變電站連接起來(lái)的一種方式，但隧

7、道并非是連接電網(wǎng)的唯一方式。電纜還可以敷設(shè)在市政道路下，但國(guó)外開(kāi)挖開(kāi)挖方案往往被當(dāng)?shù)卣駴Q，因此變電站的連接選擇了電纜隧道方案。 隨著國(guó)外城市，尤其是大城市、特大型城市的供電線路密度加大和電力需求的增長(zhǎng)，將超高壓線路引入市中心，推動(dòng)了超高壓地下輸電系統(tǒng)的發(fā)展，相繼建成不同電壓等級(jí)的隧道。國(guó)外一些國(guó)家電纜隧道建設(shè)的實(shí)踐主要如: 日本東京電力公司（TEPCO）確定了超高壓線路引入市中心計(jì)劃（擬建設(shè)13條線路），建成了目前的超高壓地下輸電系統(tǒng)。這一系統(tǒng)以圍繞市區(qū)的500kV外環(huán)系統(tǒng)為起點(diǎn)，建設(shè)盡可能靠近市中心的275kV地下輸電線路。同時(shí)使各處的地下系統(tǒng)相互連接，確保供電的可靠性。東京電力公司在電

8、纜隧道工程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)公司擁有460km的電纜隧道和270km共享隧道。3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)電纜隧道建設(shè)起步較晚，但近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大城市的用電負(fù)荷增長(zhǎng)很快，原有的220kV輸電系統(tǒng)供電已不能滿足日益增長(zhǎng)的電力需求，在大城市的市中心興建地下變電站，通過(guò)電纜隧道敷設(shè)地下電纜線路，將更高一級(jí)電壓等級(jí)500kV引入市中心已成為必然的選擇。國(guó)內(nèi)（包括香港）電纜隧道建設(shè)的實(shí)踐主要有： (1) 北京 北京是我國(guó)城市電纜隧道應(yīng)用最多的城市，已建成電纜隧道總長(zhǎng)度達(dá)360km，每年新建電纜隧道達(dá)15km。電纜隧道敷設(shè)已成為110220kV輸配電電纜線路主要敷設(shè)方式之一。 (2) 上海 上海市電力公司經(jīng)

9、反復(fù)調(diào)研論證，提出了在今后上海城市電網(wǎng)建設(shè)中，原則上以電纜隧道為220500kV輸電線路的主干通道，已建于地下表層的電纜排管作為電力輸送的支線延伸。上海市電力公司現(xiàn)有電纜隧道共11km，其中包括4條跨越黃浦江的電纜隧道。4.大斷面隧道建筑結(jié)構(gòu)部分的研究成果 建筑部分研究成果：通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種常用的電纜敷設(shè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析，結(jié)合一些工程實(shí)例確定一種更加符合本隧道電纜敷設(shè)方式。并在直通型隧道連接處、拐彎型隧道連接處和T型隧道連接處確定合理的電纜布置方案。 結(jié)構(gòu)部分研究成果：通過(guò)對(duì)電纜隧道內(nèi)主要的受力結(jié)構(gòu)（鋼環(huán)、鋼柱、電纜支架等）的力學(xué)計(jì)算，確定受力構(gòu)建合理的截面尺寸，并結(jié)合通用有限元軟件AD

10、INA對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整體的屈曲分析，驗(yàn)算力學(xué)計(jì)算的結(jié)果。并對(duì)鋼環(huán)、鋼柱、電纜支架、預(yù)應(yīng)力混凝土板、襯砌等構(gòu)件的防火、防銹及防腐措施提出了建議。4.1大斷面內(nèi)部電纜布置方案及分析 4.1.1隧道電纜布置方案 由于各電纜隧道的輸電能力要求各不一樣，其截面電纜布置方案也會(huì)有所差別。 圖4 1的方案把電纜隧道分為上下兩層。這樣，隧道可以分為上下兩個(gè)防火分區(qū)，當(dāng)隧道上層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于混凝土板的阻隔（混凝土板涂過(guò)阻燃材料），火勢(shì)不會(huì)向下層蔓延，上層的人員也可以逃到隧道下層，減少生命財(cái)產(chǎn)的損失。然而，由于隧道內(nèi)設(shè)置了混凝土板，隧道每層的縱向高度與原來(lái)不分層相比減小了一倍。隧道內(nèi)設(shè)備及構(gòu)件安裝時(shí)，進(jìn)入隧

11、道內(nèi)的施工設(shè)備受隧道內(nèi)豎向高度的限制，增加了施工的難度。圖4 1 隧道分層時(shí)電纜布置圖 圖4 2的方案為隧道內(nèi)未分層時(shí)的電纜布置方案，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置比較簡(jiǎn)單，隧道內(nèi)未設(shè)置混凝土隔板，空間內(nèi)凈高與隧道內(nèi)分層時(shí)每層凈高相比大了一倍，內(nèi)部電纜支架的布置可以更加靈活。然而，由于隧道直徑比較大，上部電纜敷設(shè)時(shí)高度比較高，敷設(shè)難度增加。隧道內(nèi)最多也只可布置16回電纜。圖4 2 隧道未分層時(shí)電纜布置圖700預(yù)埋件XLPE電纜電纜三相抱箍PVC膠墊220kv電纜支架左圖4 3 鋼柱上布置的電纜支架大樣右圖4 4 鋼環(huán)上布置的電纜支架大樣4.1.2電力電纜敷設(shè)(1) “一”字形布置與“品”字形布置 在電纜隧道

12、內(nèi)敷設(shè)的110kV電壓等級(jí)的高壓電纜(電壓高、截面大、負(fù)荷大) 基本上都采用單芯電纜，其布置除需考慮滿足散熱條件以外，還要考慮電纜對(duì)鄰近導(dǎo)體的影響以及電纜之間的相互影響。單芯交流電纜的布置方式包括“品”字形布置和“一”字形布置。(2) 金屬護(hù)套接地方式 單芯電纜金屬護(hù)套接地方式可分為單端接地、雙端接地和交叉互聯(lián)接地等三種 從工藝角度考慮，雙端接地最簡(jiǎn)單，交叉互聯(lián)接地最復(fù)雜，單端接地居中。從安全接地、短路動(dòng)作可靠性角度考慮，雙端接地和交叉互聯(lián)接地更為有利，貫通的金屬護(hù)套可視為一根良好的接地線。(3)電纜的蛇形敷設(shè)設(shè)計(jì) 在隧道支架上敷設(shè)的單芯交聯(lián)電纜與敷設(shè)在排管內(nèi)的不同，因?yàn)樵谒淼乐Ъ苌戏笤O(shè)的電纜

13、能沿半徑方向滑移不如排管那樣受到管壁阻礙，當(dāng)電纜在軸向伸長(zhǎng)時(shí)其伸縮量往往會(huì)集中到電纜盤繞殘留彎曲處，使電纜從支架上隆起而產(chǎn)生不規(guī)則的熱伸縮滑移現(xiàn)象，為防止該類不規(guī)則的滑移一般是采用連續(xù)蛇形敷設(shè)方法。改方法是利用各個(gè)蛇形弧幅寬來(lái)吸收電纜的熱伸長(zhǎng)量，為縮小工作井提供條件。(4)水平蛇形敷設(shè) 根據(jù)國(guó)外電纜熱伸縮的研究，因電纜溫度變化而產(chǎn)生的軸向力除了與電纜本體的抗彎強(qiáng)度和因電纜本體重量產(chǎn)生的摩擦力有關(guān)外，還與蛇形弧的彎曲剛性，線膨脹系數(shù)溫升電纜單位重量以及電纜支持器材的摩擦系數(shù)有關(guān)。 水平蛇形的支架布置一般在1.5m2m間距，比垂直蛇形小一半，電纜的重量能比較平均地分配在各個(gè)支架上，對(duì)單根支架及橫擔(dān)

14、的受力要求較低。(5) 垂直蛇形敷設(shè) 垂直蛇形敷設(shè)一般采用4m以上的蛇形間距，與水平蛇形敷設(shè)相比可以大大減少支撐的支架橫擔(dān)數(shù)量，如圖4 5所示。 支持4wR 0nFa04wRFa圖4 5 垂直蛇形敷設(shè)側(cè)視圖圖4 6 隧道電纜蛇形敷設(shè) 水平蛇形敷設(shè)蛇形段需擱置在支架上，當(dāng)電纜發(fā)生熱伸縮時(shí)電纜表面將與橫擔(dān)產(chǎn)生移動(dòng)摩擦，而垂直蛇形敷設(shè)在支持點(diǎn)之間電纜自然下垂，避免了這個(gè)問(wèn)題。日本新豐洲變電站電纜隧道所采用的就是電纜垂直蛇形布置形式，見(jiàn)圖4 6。(6) 豎向工作井電纜布置方式對(duì)于電纜豎井來(lái)說(shuō)，電纜的主要固定方式有3種，如下表所示。頂部一點(diǎn)夾具支持直線敷設(shè)夾具支持蛇形敷設(shè)夾具支持 適用豎井高差不大，電纜

15、重量較輕的場(chǎng)合。電纜熱伸縮由底部彎曲處吸收。 適用于電纜重量較重，但熱伸縮軸向力不大的情況。每隔數(shù)米設(shè)一夾具，能緊握電纜重量和熱伸縮軸向力。 適合熱伸縮軸向力很大的場(chǎng)合，用蛇形敷設(shè)來(lái)降低熱伸縮軸向力。電 纜夾 具夾 具電 纜電 纜敷 設(shè)蛇 形安 裝 ）角 度（ 根 據(jù)夾 具適用場(chǎng)所敷設(shè)示意圖方式4.1.3隧道段交接處電纜布置 根據(jù)電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50217-94），電纜的路徑選擇，應(yīng)符合下列規(guī)范： 1、避免電纜遭受機(jī)械性外力、過(guò)熱、腐蝕等危害。 2、滿足安全要求條件下使電纜較短。 3、便于敷設(shè)、維護(hù)。 4、避開(kāi)將要挖掘施工的地方。 為了便于電纜隧道運(yùn)營(yíng)后的管理維修，在電纜的布置時(shí)沿隧

16、道全線均應(yīng)留出有足夠的空間作為人行通道。隧道的中間段，由于電纜均貼墻壁走向，此問(wèn)題較易解決。而在隧道連接處，由于電纜數(shù)目較多，方向復(fù)雜，易出現(xiàn)不同電纜在線路上的交叉，或者阻礙人行通道。為此，在電纜布置時(shí)，應(yīng)進(jìn)行合理的規(guī)劃、設(shè)計(jì)，使電纜盡量沿隧道側(cè)壁敷設(shè)，從而避免不同線路電纜的交叉問(wèn)題。圖4 7、圖4 9、圖4 8分別是直通連接處、T型連接處和拐彎連接處的電纜布置示意圖 圖4 7 直通連接處圖4 8 拐彎連接處圖4 9 T型連接處圖4 10 電纜敷設(shè)示意圖圖4 11 工作井剖面圖4.2電纜內(nèi)部支架、主要構(gòu)件力學(xué)分析 4.2.1主要受力構(gòu)件的防火處理 因?yàn)樵诨馂?zāi)發(fā)生后，若鋼環(huán)、鋼柱、混凝土板等主要

17、的受力構(gòu)件受到破壞將很難重新施工，所以要確保這些構(gòu)件能在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能繼續(xù)承受荷載，在火災(zāi)發(fā)生后不用較大的修復(fù)就能繼續(xù)使用，確保電纜隧道的使用年限，需要對(duì)這些構(gòu)件進(jìn)行防火處理。 4.2.1.1鋼環(huán)、鋼柱等鋼結(jié)構(gòu)的防火防銹處理措施 1、鋼結(jié)構(gòu)的防火措施 由于缺少明確的隧道內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的防火規(guī)范，建議依據(jù)建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范（CECS 200：2006）要求，主要受力構(gòu)件鋼環(huán)、鋼柱的的耐火極限不低于23小時(shí)，當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)采用防火涂料保護(hù)時(shí)，可采用膨脹型和非膨脹型防火涂料，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的技術(shù)性能除應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)防火涂料（GB 14907）的規(guī)定外，尚應(yīng)符合下列要求：（1）生產(chǎn)廠家應(yīng)提供非膨脹防火

18、涂料導(dǎo)熱系數(shù)（500時(shí)）、比熱容、含水率和密度參數(shù)，或提供等效導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度參數(shù)。非膨脹型防火涂料的等效導(dǎo)熱系數(shù)可按建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范（CECS 200：2006）附錄的規(guī)定測(cè)試。（2）主要成分為礦物纖維的非膨脹型防火涂料，當(dāng)采用干式噴涂施工工藝時(shí)，應(yīng)有防止塵粉、纖維飛揚(yáng)的可靠措施。 鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施應(yīng)按照安全可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則選用，并考慮一下條件：（1）在要求的耐火極限內(nèi)能有效地保護(hù)鋼構(gòu)件。（2）防火涂料應(yīng)易于與鋼構(gòu)件結(jié)合，并對(duì)鋼構(gòu)件不產(chǎn)生有害影響。（3）當(dāng)鋼構(gòu)件受火產(chǎn)生允許變形時(shí)，防火保護(hù)涂料不應(yīng)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，仍能保持原有的保護(hù)作用直至規(guī)定的耐火時(shí)間（4）施工方便，易于保

19、證施工質(zhì)量。（5）防火保護(hù)材料不應(yīng)對(duì)人體有毒害。（6）復(fù)層涂料應(yīng)相互配套，底層涂料應(yīng)能同普通防銹漆配合使用，或者底層涂料自身具有防銹功能。（7）膨脹型防火涂料的保護(hù)厚度應(yīng)通過(guò)實(shí)際構(gòu)件的耐火試驗(yàn)確定。鑒于上述因素，建議鋼環(huán)、鋼柱及電纜支架等鋼結(jié)構(gòu)采用防火涂料進(jìn)行處理。防火涂料的保護(hù)工程質(zhì)量控制應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求。 2、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的防銹措施 鋼結(jié)構(gòu)銹蝕根據(jù)周圍的環(huán)境、空氣中的有害成分（酸、鹽等）及溫、濕度和通風(fēng)情況的不同，可分為兩類：化學(xué)銹蝕和電化學(xué)銹蝕。 鋼結(jié)構(gòu)表面與周圍介質(zhì)直接化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的銹蝕稱為化學(xué)銹蝕。而鋼結(jié)構(gòu)在存放和使用中與周圍介質(zhì)之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕屬于電化學(xué)銹蝕。鋼

20、結(jié)構(gòu)的防腐蝕，除了要徹底除銹外，還應(yīng)懸著使用防銹性能好的涂料，選用涂料是應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境、使用功能、經(jīng)濟(jì)性和耐久性、穩(wěn)定性等因素來(lái)選用合適的防銹涂料。 鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕方法有四類：（1）鋼材本身抗腐蝕，即采用具有抗腐蝕能力的耐用鋼材。（2）長(zhǎng)效防腐蝕方法，即用熱鍍鋅、熱鍍鋁（鋅）復(fù)合涂層進(jìn)行剛才表面處理，使鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕年限達(dá)到2030年，甚至更長(zhǎng)。（3）涂層 法，即在鋼結(jié)構(gòu)表面涂（噴）油漆或者其他防腐蝕涂料，其耐久年限一般為510年。（4）對(duì)水下火地下鋼結(jié)構(gòu)采用陰極保護(hù)，即電化學(xué)保護(hù)的方法。 4.1.1.2混凝土板及襯砌的防火處理措施 1、隧道防火涂料的防火原理 從燃燒的條件知道，要使燃燒

21、不能進(jìn)行，必須將燃燒的三個(gè)要素中的任何一個(gè)因素隔絕開(kāi)。如果以難燃或者不燃的涂料將可燃物表面封閉起來(lái)，避免與空氣接觸，使可燃物表面變成難燃或者不燃的表面。 2、隧道防火涂料的基本組成隧道防火涂料主要由主粘結(jié)劑、輔助粘結(jié)劑、膨脹劑、阻燃劑、防水劑等成份組成。根據(jù)隧道火災(zāi)特點(diǎn)和隧道設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，選用的防火涂料應(yīng)該具有以下特征： （1）改涂料燃燒時(shí)應(yīng)沒(méi)有毒氣體產(chǎn)生，并趨向于環(huán)保型，以便于隧道火災(zāi)的滅救及隧道的修復(fù)。 （2）隧道防火涂料不僅要考慮涂料的耐火性能，還必須兼顧涂料的附著性。 （3）應(yīng)充分考慮施工的方便性和效率，涂料應(yīng)既可以人工抹涂，又可以機(jī)械噴涂。 （4）應(yīng)根據(jù)建筑構(gòu)件耐火性能試驗(yàn)方法、建

22、筑構(gòu)件防火噴涂材料性能的試驗(yàn)方法等相關(guān)規(guī)范對(duì)涂覆試板的耐火極限進(jìn)行試驗(yàn)。 4.2.2鋼環(huán)計(jì)算 在電纜隧道中，電纜的的重量直接影響其內(nèi)部支架的選型。如何保證電纜和鋼筋混凝土板的重量能夠安全的傳遞給下部，經(jīng)分析研究，建議采用自平衡體系（見(jiàn)圖4 12）。圖4 12 隧道內(nèi)部鋼架截面圖4.2.2.1圓環(huán)鋼架計(jì)算 如圖4 12所示，在電纜隧道中，電纜及其支架，鋼環(huán)，鋼柱等受力結(jié)構(gòu)的布置均采用對(duì)稱布置的方法。左右兩側(cè)的電纜應(yīng)至下而上同時(shí)敷設(shè)，以保證在電纜敷設(shè)時(shí)，鋼環(huán)、鋼柱等受力結(jié)構(gòu)承受對(duì)稱荷載。圖4 12 隧道內(nèi)部鋼架截面圖 同時(shí)，鋼環(huán)采用的柱腳形式為鉸接，而鋼環(huán)中部（B點(diǎn)）存在預(yù)應(yīng)力混凝土板對(duì)其的支撐作

23、用。故鋼環(huán)的受力模型可以簡(jiǎn)化為如圖4 13所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用力法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，其計(jì)算模型見(jiàn)圖4 14。圖4 13 對(duì)稱計(jì)算模型 圖4 14 計(jì)算簡(jiǎn)圖 4.2.2.2鋼環(huán)片與鋼環(huán)片之間的連接 焊縫強(qiáng)度滿足要求。由于在管頂?shù)倪B接板受力更小。所以采用同此處一樣的設(shè)計(jì)便可以滿足要求。 圖4 16 焊縫截面 4.2.2.3鋼環(huán)支座設(shè)計(jì)圖4 17 柱腳截面示意圖 4.2.3梁柱設(shè)計(jì) 4.2.3.1梁截面設(shè)計(jì) 梁截面鋼材選用Q235鋼，截面形式選用角鋼，梁兩端與柱子連接形式為鉸接。圖4 18 結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面布置圖 4.2.3.3 GL3、GL4截面設(shè)計(jì)GL3的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4 19所示：q圖4 19 GL3

24、計(jì)算簡(jiǎn)圖4.2.3.5 鋼柱設(shè)計(jì) 1、GZ2截面設(shè)計(jì)： （1）確定截面尺寸 采用Q235普通14#工字鋼，截面尺寸見(jiàn)圖20（c）。 （2）計(jì)算截面特性 （3）驗(yàn)算柱子的整體穩(wěn)定圖4 20 柱受力圖簡(jiǎn)化圖4.2.3.6 螺栓焊縫計(jì)算 L 1 0 0 X 7 L 1 0 0 X 7V圖4 21 螺栓連接示意圖圖4 23 螺栓連接示意圖4.2.3.7 柱腳設(shè)計(jì) 柱腳采用構(gòu)造設(shè)置。具體尺寸見(jiàn)柱腳詳圖4 25 圖4 25 柱腳詳圖4.2.4電纜支架和預(yù)應(yīng)力板設(shè)計(jì)4.2.4.1110kv支架設(shè)計(jì)X L P E 電 纜5 5 03 5e60圖4 26 110kv支架4.2.4.2220kv支架設(shè)計(jì)X L P

25、 E 電 纜607 0 0e3 54.2.4.3預(yù)應(yīng)力板計(jì)算圖4 28 預(yù)應(yīng)力板的截面形式4.2.5計(jì)算結(jié)論 如圖4 29所示，在整個(gè)受力結(jié)構(gòu)中，電纜的重量通過(guò)電纜支架直接傳給鋼柱和鋼環(huán)，混凝土板的重量則通過(guò)鋼梁傳給鋼柱和鋼環(huán)。由于整個(gè)鋼環(huán)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)自平衡體系，傳遞到鋼環(huán)上的電纜及其支架荷載沒(méi)有傳到與鋼環(huán)接觸的管片上，而是將鋼環(huán)上的電纜及其支架荷載轉(zhuǎn)化了鋼環(huán)內(nèi)部的軸力，然后傳于下部混凝土中，大大減小了鋼環(huán)上的集中彎矩。通過(guò)計(jì)算表明，鋼環(huán)、鋼柱、鋼梁及電纜支架危險(xiǎn)截面上的軸力、彎矩、剪力及整體穩(wěn)定性均滿足要求。圖4 29 隧道內(nèi)部截面圖4.3內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有限元分析 采用ADINA軟件提供的非線

26、性屈曲分析模塊對(duì)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整體的屈曲分析。4.3.1幾何模型的建立 運(yùn)用通用有限元軟件ADINA建立幾何實(shí)體模型1和模型2 。模型1為試驗(yàn)段的幾何模型 。模型1鋼柱工字鋼翼緣沿隧道縱向方向 。（a）整體幾何模型 （b）局部幾何模型 圖4 30 模型1的幾何模型 模型2為初步設(shè)計(jì)的幾何模型，模型2的界面尺寸大于模型1的截面尺寸，且兩者在鋼柱布置方式和鋼柱上電纜支架的布置方式不一樣 ，模型2鋼柱工字鋼翼緣沿隧道橫向方向，相應(yīng)的電纜支架的布置方式也有所變化 ，分別見(jiàn)圖4 30（b）和圖4 32（b）。 （a）整體幾何模型 （b）局部幾何模型 圖4 31 模型2的幾何模型4.3.2有限元模型的建立

27、 4.3.2.1荷載條件 結(jié)構(gòu)體系上的荷載主要有兩部分組成：第一部分為位于電纜支架上的電纜自重，110千伏電纜支架上的重力荷載為1.14105N，220千伏電纜支架上的重力荷載為1.788105N，以壓力的形式作用子電纜支架；第二部分為位于鋼環(huán)牛腿上的預(yù)應(yīng)力混凝土板自重及其上面的活荷載，剛環(huán)上一共有四個(gè)牛腿，每側(cè)兩個(gè)，鋼柱上一共有兩個(gè)牛腿，每側(cè)一個(gè)，每個(gè)腿上承受的集中荷載約為8500N。 4.3.2.2幾何邊界條件 結(jié)構(gòu)體系的幾何邊界由鋼環(huán)、鋼柱柱腳，預(yù)應(yīng)力混凝土板對(duì)鋼環(huán)及鋼柱的橫向支撐，襯砌上的連接件對(duì)鋼環(huán)的法線約束。鋼環(huán)、鋼柱柱腳限制了鋼環(huán)及鋼柱的X方向和Y方向的位移，混凝土板對(duì)鋼環(huán)及鋼柱

28、的橫向支撐限制了鋼環(huán)及鋼柱Y方向的位移。圖4 32 模型1荷載及幾何邊界條件圖4 33 模型2荷載及幾何邊界條件 4.3.2.3材料的本構(gòu)模型 幾何模型的材料采用Q235鋼，其彈性模量E=2.061011N/m2,泊松比=0.3，屈服應(yīng)力取4108N/m2。材料本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型，假定屈服點(diǎn)以前鋼材為完全彈性的，屈服點(diǎn)后則為完全塑性，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為雙直線（見(jiàn)下圖）。圖4 34 材料本構(gòu)模型4.3.2.4有限元網(wǎng)格 各模型有限元網(wǎng)格的劃分采用10節(jié)點(diǎn)的六面體單元，運(yùn)用Delaunay自由網(wǎng)格劃分方式，在電纜支架與鋼環(huán)及鋼柱連接處自動(dòng)加密，以便獲得更加穩(wěn)定的網(wǎng)格（模型1和模型2的網(wǎng)

29、格劃分圖如下）。（a）整體網(wǎng)格模型 （b）局部網(wǎng)格模型 圖4 35 模型1有限元網(wǎng)格（a）整體網(wǎng)格模型 （b）局部網(wǎng)格模型 圖4 36 模型1有限元網(wǎng)格4.3.3計(jì)算結(jié)果 4.3.3.1模型1計(jì)算結(jié)果 模型1計(jì)算結(jié)果的求解一共分為十個(gè)時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步的時(shí)間間隔為0.02秒，總共時(shí)間為0.20s。圖4 37列舉了模型1在初始狀態(tài)、第三個(gè)時(shí)間步后、第七個(gè)時(shí)間步后、第十個(gè)時(shí)間步后的變形圖，反映在荷載不斷加大的情況下模型1位移不斷加大，直至屈曲的過(guò)程。（a）結(jié)構(gòu)初始變形狀態(tài) （b）第三個(gè)荷載步后結(jié)構(gòu)變形 （c）第七個(gè)時(shí)間步后結(jié)構(gòu)變形 （d）第十個(gè)時(shí)間步后結(jié)構(gòu)變形 圖4 37 結(jié)構(gòu)在加載下的變形 圖4

30、 38顯示了模型1的力-位移曲線，表明當(dāng)鋼環(huán)上牛腿的集中荷載達(dá)到2.4104N后模型1屈曲，而通過(guò)荷載計(jì)算每個(gè)牛腿上的集中荷載為8.5103N。圖4 38 力-變形曲線 圖4 39、圖4 40和圖4 41顯示了模型一在第三個(gè)時(shí)間步后，第七個(gè)時(shí)間步后和第十個(gè)時(shí)間步后的等效應(yīng)力云圖，表明在電纜支架與鋼環(huán)、鋼柱連接處，鋼環(huán)與鋼柱連接處，及鋼環(huán)與牛腿連接處為模型比較薄弱的地方，這些的地方的應(yīng)力相對(duì)較大，很容易達(dá)到屈服，從而會(huì)影響整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的整體承載能力。（a）整體等效應(yīng)力云圖 （b）支架處等效應(yīng)力云圖 （c）鋼柱頂端等效應(yīng)力云圖 （d）牛腿等效應(yīng)力云圖 圖4 39 第三個(gè)時(shí)間步后結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖（a

31、）整體等效應(yīng)力云圖 （b）支架處等效應(yīng)力云圖 （c）鋼柱頂端等效應(yīng)力云圖 （d）牛腿等效應(yīng)力云圖 圖4 40 第七個(gè)時(shí)間步后結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖（a）整體等效應(yīng)力云圖 （b）支架處等效應(yīng)力云圖 （c）鋼柱頂端等效應(yīng)力云圖 （d）牛腿等效應(yīng)力云圖 圖4 41 第十個(gè)時(shí)間步后結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖4.3.3.2 模型 2 計(jì)算結(jié)果 圖4 42列舉了模型1在初始狀態(tài)、第三個(gè)時(shí)間步后、第七個(gè)時(shí)間步后、第九個(gè)時(shí)間步后的變形圖。（a）結(jié)構(gòu)初始變形狀態(tài) （b）第三個(gè)時(shí)間步后結(jié)構(gòu)變形（c）第七個(gè)時(shí)間步后結(jié)構(gòu)變形 （d）第十個(gè)時(shí)間步后結(jié)構(gòu)變形 圖4 42 結(jié)構(gòu)在加載下的變形圖4 43 力-變形曲線 圖4 44、圖4 45和圖4 46顯示了模型一在第三個(gè)時(shí)間步后，第七個(gè)時(shí)間步后和第十個(gè)時(shí)間步后的等效應(yīng)力云圖，表明在電纜支架與鋼環(huán)、鋼柱連接處，鋼環(huán)與鋼柱連接處，及鋼環(huán)與牛