新型自平衡电缆支架及其力学特性

袁伟灿，黎 伟

(广州电力设计院有限公司，广东 广州 510075)

电力隧道内的电缆支架型式直接决定了隧道的管容与经济性。针对常用电力隧道截面，开发圆形电力摘要：

隧道用自平衡电缆支架系统，提出长、短支架交替的电缆支架横担形式、拱形铰接钢环梁、预埋螺栓及垫片卡扣固定方式及静电喷涂防腐技术，利用足尺模型试验、数值模拟手段测试新型电缆支架系统的物理力学特性。研究成果的体系受力合理、提高了隧道管容，实现了无烟化施工与高耐腐蚀性能。优化后的电缆支架应用于广州地区电力隧道工程，获得了较好的工程应用效果。

电力隧道；自平衡电缆支架；隧道增容；静电喷涂；模型试验。关键词：

B 文章编号：1671-9913(2019)04-0001-06中图分类号：TM63 文献标志码：

New Self-balancing Cable Bracket

and Its Mechanical Characteristics

YUAN Wei-can, LI Wei

(Guangzhou Electric Power Design Institute Co., Ltd., Guangzhou 510075, China)

Abstract: The type of cable support in power tunnel directly determines the tube capacity and economy of the tunnel. For commonly used electric power tunnel section, development of the circular electric power tunnel with self-balancing cable support system, puts forward the long and short support alternate forms of cable bracket cross arm, hinged arch steel ring beam and embedded bolts and gaskets card buckle fixed way and electrostatic spraying anti-corrosion technology, using the full scale model experiment, the numerical simulation method testing the physical and mechanical properties of new type of cable support system. The system of the research results has reasonable stress, improved tunnel capacity, realized smoke-free construction and high corrosion resistance. The optimized cable support has been applied to the power tunnel project in Guangzhou, and good results have been obtained.

Key words: electric power tunnel; self-balancing cable support; tunnel capacity enhancement; electrostatic spraying; model test.

0 引言

通过建设电力隧道敷设地下电缆线路来解决城市用电(输电)需求与土地资源的矛盾，提高城市供电可靠性似乎已成为城市供电的必然的选择。我国电网建设远景规划[2]也表明，通过截面积大、容纳电缆回数多的电力隧道敷设地下电缆线路是今后的城市输电瓶颈的解决方案和必然趋势。

[1]

电缆支架用于支承、固定隧道内的高压电缆，是电力隧道的关键构成部分。目前城市供电线路中的圆形断面隧道内都采用弧形电缆支架系统。周辉等[3]、姚炜峻等[4]等对上海电力电缆专用隧道中新型不锈钢矩形方管支架作了详细介绍；吴爱艳[5]分析了地铁电力电缆工程中的支架技术；吴彦伟等[6]分析了广州220 kV奥林电力隧道工程的电缆支架设计技术。但上

* 收稿日期：2018-09-07

作者简介： 袁伟灿(1970- )，男，广东东莞人，高级工程师，主要从事电力设计与研究工作。 基金项目：中国南方电网公司科技项目(GZHKJXM20160039)。

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电网设计 新型自平衡电缆支架及其力学特性 述常规电缆支架具有施工复杂、隧道管容浪费且电缆接头区相互干扰等问题。

为解决上述常规电缆支架的问题，通过研究常规电缆支架的结构形式、预埋件构造及防腐蚀等关键技术问题，提出一种新型的圆形电力隧道用自平衡电缆支架系统，并通过数值仿真与足尺模型试验验证了该系统的可靠性。

1 支架优化方案

1.1 常规电缆支架系统

电力隧道所用常规电缆支架存在如下特征及问题：1)各层支架横担等长布置(图1)，圆形隧道的中部空间无法利用，隧道管容偏小；底层支架用做接头位，各层电缆均需绕行至底层安装接头，电缆纵向敷设相互干扰，显著影响运维的便利及安全性；2)左右侧支架梁相互且通过预埋件固定于隧道壁。这使得电缆荷载全部传递至隧道壁，隧道结构混凝土受力不合理，易开裂漏水，影响隧道使用寿命；3)预埋件通过焊接方式与支架梁连接。焊接电缆支架施工质量难保证、工效低，焊接烟雾污染施工环境；4)焊接后采用热镀锌或涂刷油漆防腐。使得处于地下隧道中的(特别是长三角、珠三角、渤海湾等沿海地区)支架腐蚀严重，耐候性差；若用不锈钢型材，则会拉高建设成本。

图 1 常规电力隧道横断面

1.2 新型自平衡电缆支架

针对常规支架存在的问题，对支架的结构形式、电缆敷设、预埋件构造及防腐蚀等关键技术问题进行研究及优化设计，形成一种新型

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的“圆形电力隧道用自平衡电缆支架系统”：

1) “圆形电力隧道用自平衡电缆支架系统”构成部件为：“长—短”交替支架、拱形铰接钢环梁、预埋螺栓套筒、卡扣螺栓套件、静电粉末喷涂表层。

2) 将隧道中、上部的支架横担设置成“长—短”支架交替布置型：沿纵向，在电缆接头区采用长支架，非接头区采用短支架，且左右侧的长短支架错开排列(纵向长、短支架交替，左右侧长支架不出现在同一断面)，见图2、图3。“长—短”支架交替布置充分利用了圆形隧道中部空间，且不影响运维检修。

3) “‘长—短’交替布置支架层”的内侧敷设电缆，长支架的外侧作为电缆接头位：长支架的临近支架层电缆就近绕行至该处外侧安装电缆接头。这可利用圆形隧道空间，在中部支架上同时敷设电缆及接头，隧道增容1～2回电缆，提高隧道管容；且这种接头布置方式避免了所有电缆都绕行穿插至底层支架安装接头的问题，提高了电缆运维的便利及安全性，见图4、图5。

图 2 电力隧道剖面(左侧长支架)

图 3 电力隧道剖面(右侧长支架)

电网设计 新型自平衡电缆支架及其力学特性 2.1 预埋螺栓套筒抗拔试验

电力隧道管节内侧预埋螺栓套筒的抗拔性能直接关系到电缆支架系统的正常使用及安全。为检验预埋在管节内壁的螺栓孔的抗拔能力，图 4 平面图

图 5 立面图

4) 采用“拱形铰接钢环梁”结构：将电缆支架梁分成左右两片，顶部用螺栓连接，底部用混凝土浇筑固定连接，电缆支架系统形成闭合圆形自平衡系统。电缆荷载大部分在圆形钢环梁中自平衡抵消，少部分荷载通过“卡扣螺栓”传递至隧道壁。隧道结构受力合理，不易开裂。

5) 隧道管节预制时预埋“螺栓套筒”，电缆支架钢环梁通过“卡扣螺栓套件”卡扣于隧道内壁。支架系统配件均工厂化预制，全螺栓连接装配，提高了支架安装工效，保证了施工质量，实现了无烟化施工。

6) 采用工厂化超细粉末静电喷涂技术进行支架防腐，形成“静电粉末喷涂表层”。支架在隧道内组装后则无需现场防腐处理，极大的提高了电缆支架的防腐能力，造价适中而耐候性好。

2 支架系统足尺模型试验

本研究利用一环真型电缆支架，采用足尺模型试验对该电缆支架系统进行加载试验，测试预埋螺栓孔是否对管节受力产生影响及其影响程度，测取加载过程中支架的挠度曲线、各部位的应力、应变曲线并观察该种管节在极限荷载下的破坏形态。

进行管节内壁预埋螺栓孔破坏性抗拔试验，检测其在外力作用下承受的最大弹性抗拔力，为

管节支架安装提供依据。

2.1.1 试验设计

螺栓采用Q235B材质，强度等级为8.8级，直径为φ20 mm，其质量标准符合《碳素钢结构》(GB 700－88)的规定，螺栓套筒预埋长度为85 mm。

2.1.2 试验过程

试验时将工具螺栓杆完全旋入预埋螺栓套

筒中作为拉拔试验构件，利用穿心式千斤顶和反力支架对工具螺栓杆施加拉拔力，从而测定螺栓孔的抗拔能力。试验以2 kN等差分级加载至预埋螺栓套筒承受拉拔力为20 kN时停止加载。

2.1.3 试验结果与分析

螺栓孔抗拔荷载—位移曲线见图6。

图 6 螺栓抗拔荷载—位移曲线

试验观察知螺栓套筒中的螺栓杆未被拔出，螺栓套筒抗拔出合格；螺栓套筒与隧道管节混凝土之间未出现拔出、裂缝，螺栓。

实测曲线表明，预埋螺栓孔在设计抗拔荷载内基本处于弹性状态，观察可知混凝土没有裂纹产生，螺栓套筒也没有出现剪切或者拉伸变形，表明预埋螺栓套筒与隧道管节混凝土的粘结、嵌固构造合理。

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电网设计 新型自平衡电缆支架及其力学特性 2.2 支架系统试验

利用一环真型电缆支架，采用足尺模型试验对该电缆支架系统进行加载试验，测取加载过程中支架的挠度曲线、各部位的应力、应变曲线，以期获得工程指导。

2.2.1 荷载取值

500 kV高压电缆的单根重量约50 kg/m，电缆接头长度约2 m，重量约180～200 kg/m。电缆支架上每回电缆含3根电缆(三相呈品字形布置或一字型布置)；对于长支架，则支架上摆放2回电缆，或者1回电缆与1个接头。

电缆支架的纵向间距为1～3 m，则平均每榀支架上的电缆静荷载约150～450 kg，平均每榀接头支架上的电缆静荷载加电缆接头静荷载共约250～450 kg。

2.2.2 加载方法

考虑电缆、电缆接头的安装过程的动力作用，且采用拟静力方法，取动力系数为2.0，采用千斤顶进行加载。

根据设计计算，长支架为承载电缆至少加荷775 kg，计算确定长支架最小荷载应达到8 kN。加载时取初始加载1 kN，每级增加1 kN，每级荷载均持荷3 min，持荷前和持荷后均采集应变片和位移计数据。

2.2.3 试验结果与分析

长支架在加载至9 kN时，端部最大位移已超过50 mm，考虑到工程中的正常使用阶段对挠度的要求，认为此时已超过工程容许范围，结束试验。试验所得支架各测点位移数据曲线见图7、图8。

据试验数据分析可知，支架上下两个螺孔在荷载大于4 kN时开始进入局部塑性阶段；上螺孔最大应变值与下螺孔最大应变值相当，最小应变值下螺孔较上螺孔大，说明下螺孔所承受的荷载比上螺孔大，且支架螺栓孔在正常使用阶段存在局部扩孔增大的现象。

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图 7 支架上部螺孔应变花应变值

图 8 支架各测点位移数据曲线

支架腹板牛腿部位的应变花最大最小应变值都较螺孔处小很多，且基本呈线性增长，说明牛腿部位在荷载达到9 kN时仍处于弹性状态，并未进入塑性阶段。

支架在变截面顶底处应变变化较大，荷载达到6 kN时基本开始进入塑性屈服阶段。

根据以上数据可知，控制支架形变的关键点在支架变截面处和上下螺孔处，因此，变截面处和上下螺孔处是设计中的薄弱点，为保证支架的安全性和可靠性，支架1端部施加荷载最大不能超过4 kN，换算为运营荷载时，电缆放置位置距离悬臂端部约300 mm，电缆放置位置距悬臂端760 mm，即非端部集中荷载时，可承担约8 kN荷载。根据功的互等定理可知，支架在安装有一个接头和一回电缆时，支架选型合理。

电网设计 新型自平衡电缆支架及其力学特性 3 工程应用实施效果

3.1 支架设计

横担支架作为水平悬臂梁，需要保证截面的抗弯刚度和抗剪强度外，还需要保证支架的整体稳定性要求。横担支架使用的是非对称截面形式，电缆荷载的作用点不在截面剪心上，螺孔应力大。随着支架端部随着钢环形状的改

变而改变其角度，上螺杆与螺孔的接触方位也随着改变。支架荷载对螺栓孔的影响较小，在支架满负荷情况下，螺栓孔附均应力约10 MPa，说明此预留螺栓孔设计满足支架承载要求，不会对管节产生破坏性影响。在管节下半部分，左右螺栓孔中间也有部分应力分布，还会对支架产生扭转作用，需要对横担支架进行扭转验算。

电缆支架上每回电缆含3根电缆(三相呈品字形布置或一字型布置)；若是长支架，则支架上摆放2回电缆，或者1回电缆+1个接头。考虑电缆、电缆接头的安装过程的动力作用，且采用拟静力方法，取动力系数为2.0。纵向横担支架距离为1.25 m，所以，短支架荷载取值3.75 kN，长支架荷载取值7.75 kN。

通过钢结构强度计算、抗剪承载力计算、整体稳定性计算，确定短支架截面尺寸可取100 mm×70 mm，长度450～550 mm，长支架截面尺寸可取100 mm×140 mm，长度1 050 mm，腹板牛腿角度为45°。

钢环梁受到悬臂横担的弯矩作用，需要计算抗弯和螺孔的抗剪。通过抗弯强度、螺孔抗剪承载力计算，结合设计经验，取定钢环梁取对称等边角钢，截面尺寸为100 mm×100 mm×7 mm。

根据螺栓套管预埋件极限承载力经验公式，并考虑2倍的安全系数，取用长80 mm、直径20 mm螺栓套管，计算得出预埋螺栓套管可承受拉力40 kN，满足要求。

3.2 数值模拟

将上述设计计算选型优化的电缆支架系统建成有限元模型，通过数值模拟加载试验，得到支架有限元模型应力、应变、位移云图，可直观详细的了解钢环及支架随荷载变化的过程。典型的电缆支架系统应力云图见图9。

分析模拟过程可知，支架受力后，通过上下螺栓孔传递剪力至螺杆，因螺杆直径小于螺孔直径，在竖向荷载作用下，上螺栓孔的左上角与螺杆接触，下螺栓孔右上角与螺杆接触，导致这两个位置应力较大，且上螺孔应力较下

说明支架端部对混凝土产生了压应力。据支架应力及位移云图可知，本电缆支架系统整体处于弹性阶段，受力明确合理。

图 9 电缆支架系统应力云图

3.3 应用效果

本圆形电力隧道用自平衡电缆支架系统已在新建电力隧道工程中推广应用(220 kV航云电力隧道、220 kV永福电力隧道)。

支架系统的钢结构构件全部采用工程化预制，出厂前采用静电粉末喷涂工艺进行防腐处理，颜色鲜红色。出厂前需进行1 000 h盐雾试验，并保证使用寿命在10 a以上。建筑耐火等级为二级，支撑钢环的耐火等级不低于1.5 h。

电缆在隧道内采用垂直蛇形敷设于电缆支架上。每回电缆采用“品”字形紧贴排列布置，并选取适当的蛇形节距和蛇形幅宽以吸收、补偿电缆的热伸缩，且每隔一定的距离采用适当的器具进行限位、固定(如三相抱箍、单相抱箍、尼龙绳等)以约束保持电缆敷设线形，充分吸收电缆的热伸缩应力，保证安全。电缆敷设效果见图10、图11。

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电网设计 新型自平衡电缆支架及其力学特性 图 10 全断面布置短支架(非接头区)

图 11 单侧断面布置长支架(接头区)

本新型支架系统使得原只能放置8回电缆的电力隧道现增容至敷设10回电缆，增容2回路电缆。按每公里隧道造价5 000万元计算，则增容后每公里隧道相当于节省造价1 250万元。另新型支架能节省防腐蚀维护费用约60万元。共计可为3.0～3.5 m内径的圆形电力隧道节省造价约1 310万元/km。

此外，当电缆路由需求为8～10回路时(临界值)，本支架系统可确保在一条电力隧道中敷设全部电缆，无需开辟其他通道，节省电力隧道路由及土地资源，具有较好的社会效益。

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4 结论

1)针对常用电力隧道截面，开发了圆形电力隧道用自平衡电缆支架系统。其中设置“长—短”支架交替布置，充分利用了圆形隧道中部空间；实现电缆及接头敷设于同一层支架上，隧道增容1～2回电缆；采用“拱形铰接钢环梁”结构实现荷载自平衡，优化了隧道结构受力；通过预埋“螺栓套筒”卡扣固定电缆支架钢环梁，实现了无烟化组装施工；采用工厂化超细粉末静电喷涂防腐，增强了耐候性。

2)试验实测得本圆形电力隧道用自平衡电缆支架系统力系传递明确合理，支架横担最大承载力为8 kN，最大挠度为40 mm。可用于敷设220 kV、500 kV电缆以及电缆接头。

3)本支架系统通过拱形支架环梁形成力的自平衡体系，传递至电力隧道结构侧壁的螺栓孔附均应力约10 MPa，受力均匀合理，对隧道结构无影响。

4)本支架系统以在广州地区推广应用，针对3.5 m内径圆形隧道，可比常规支架提高管容约2回110 kV电缆，折合每公里电力隧道节省造价约1 000万元以上，经济效益明显。

参考文献：

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