電纜橋架的安全工作載荷研究

王志強(qiáng)， 丁 超， 張強(qiáng)強(qiáng)

(1. 原中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200090；2. 上海樟祥電器成套有限公司，上海 201416)

1 電纜橋架安全工作載荷的由來(lái)

電纜橋架的安全工作載荷是橋架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一。 因?yàn)檫@個(gè)數(shù)據(jù)決定橋架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，也決定耗費(fèi)鋼材的數(shù)量。 如果這個(gè)數(shù)據(jù)取值過(guò)大，會(huì)增加鋼材的消耗量，過(guò)小則影響橋架的安全使用。 可是國(guó)內(nèi)所有電纜橋架的資料都缺乏論證，有的則是抄襲國(guó)外舊規(guī)范，有的則是避而不談。 無(wú)論是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只有工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)規(guī)范中有具體數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)值得商討。

CECS 31－2006 版中將安全工作載荷稱之為均布載荷，沿用了上一世紀(jì)后期日本標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)時(shí)日本橋架的寬度僅600～700mm，而我國(guó)市場(chǎng)上橋架寬度已增至1 000～1 200mm，差別不小。 但它是國(guó)內(nèi)電纜橋架規(guī)程中，率先將電纜橋架按承載能力大小分成A、B、C、D 四個(gè)等級(jí)，詳見(jiàn)表1。 之后各個(gè)電纜橋架的規(guī)程都引用這一個(gè)方法及載荷等級(jí)數(shù)據(jù)。

電纜橋架均布載荷/(kg/m) 表1

T/CECS 31－2017 修訂時(shí)術(shù)語(yǔ)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一致，將“均布載荷”改為“安全工作載荷”，數(shù)值則乘以1.3 倍，詳見(jiàn)表2。

電纜橋架安全工作載荷/(kg/m) 表2

這次數(shù)值修改主要是考慮到兩個(gè)因素:(1)計(jì)入電纜敷設(shè)不均勻而產(chǎn)生的附加應(yīng)力；(2)電纜橋架可能過(guò)載，因?yàn)橐?guī)程規(guī)定的容積率為40%～50%，顯然有剩余空間。 但是1.3 的系數(shù)沒(méi)有計(jì)入最大可能的超載，顯然是不夠的，而且，超載時(shí)只需強(qiáng)度考核而不需要繞度考核，顯然又超出了鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求。 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)度盈余，造成材料的浪費(fèi)。

針對(duì)這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)，本次新規(guī)程(即:《彩色涂層不銹鋼電纜橋架工程技術(shù)規(guī)程》)編寫組進(jìn)行了著重研究，保證材料得到充分利用的同時(shí)，達(dá)到安全可靠。

2 電纜橋架單位容積的電纜荷重確定

2.1 電纜在橋架中占據(jù)的空間

電纜橫截面為圓型，它的橫截面積S ＝πd2/4。式中，d 為電纜外徑。

假定電纜在橋架上均勻排列，兩電纜間的狹小空間能否敷設(shè)小截面電纜? 答案是不可以。 因?yàn)镚B 16895.6－2014 指出小截面電纜會(huì)因?yàn)樯岵焕^(guò)熱，因此這個(gè)狹小空間只能用作散熱，選擇電纜橋架中實(shí)際占有空間等于d×d，詳見(jiàn)圖1。

圖1 電纜在橋架中敷設(shè)示意圖

2.2 電纜橋架的最大允許容積

理想情況是電纜緊靠排列，充滿橋架的寬和高，求得:X%＝π/4 ＝0.78。 即容積＞78%時(shí)，橋架蓋板無(wú)法蓋上，而實(shí)際工程容積率＜78%。

這也讓筆者所在的編寫組得出結(jié)論，當(dāng)電纜橋架的額定容積率為50%時(shí)，其極限過(guò)載倍數(shù)是1.5，也說(shuō)明T/CECS 31－2017 版考慮過(guò)載1.3 倍是不夠的。 過(guò)載倍數(shù)取1.5，正好符合鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的規(guī)定，即按安全工作載荷的1.5 倍校驗(yàn)強(qiáng)度。

3 電纜橋架單位容積的電纜荷重

設(shè)Q 為電纜單位長(zhǎng)度的質(zhì)量kg/m，d 為電纜外徑cm。 那么電纜橋架單位容積的電纜荷重為:Z ＝Q/d2，詳見(jiàn)表3。

橋架單位容積的電纜質(zhì)量/(kg/cm2·m) 表3

由表3 可以看出，(1)35mm2及以下小截面電纜對(duì)應(yīng)的Z 值小。 (2)4＋1 芯電纜的Z 值較小，而3＋1芯及4 芯等截面電纜對(duì)應(yīng)的Z 值較大；具有代表性的數(shù)值為0.34kg/cm2·m 及0.36kg/cm2·m，取平均數(shù)為0.35kg/cm2·m。 (3)表3 采用銅導(dǎo)體多芯電纜為代表測(cè)算，它的結(jié)果也適用于其他類型電纜。 例如低壓銅導(dǎo)體單芯電纜，它的Z 值在0.3～0.36kg/cm2·m之間，平均值0.35kg/cm2·m 與多芯電纜相同。 中壓電纜，由于絕緣厚，導(dǎo)致電纜外徑大于同截面低壓電纜，經(jīng)測(cè)算，Z 值小于0.2kg/cm2·m。

綜上所述，確定電纜橋架安全工作載荷ZA的條件是:(1)以電纜橋架50%容積率計(jì)；(2)電纜橋架單位容積的電纜荷重以0.35kg/cm2·m 計(jì)，于是:ZA＝0.35×50%×B×H×10－2(kg/m)。 即:ZA＝1.75×B×H×10－3(kg/m)。 式中，B×H 為電纜橋架的寬乘以高，mm。 計(jì)算結(jié)果作為新規(guī)程的安全工作載荷，分為A、B、C、D、E 五個(gè)等級(jí)，詳見(jiàn)表4。

(新規(guī)程)電纜橋架安全工作載荷/(kg/m) 表4

4 分析與討論

4.1 新規(guī)程與CECS 31-2006 版比較

雖然2006 版已廢棄，但是2017 版是在它的基礎(chǔ)上修改的，需要追本求源。 安全工作載荷新規(guī)程與CECS 31－2006 版比較詳見(jiàn)表5。

與CECS 31－2006 版比較 表5

需要強(qiáng)調(diào)的是，2006 版D 級(jí)只適用于橋架寬度700mm 及以下規(guī)格，若超過(guò)700mm 則存在安全隱患，這在此前是未知的。

4.2 新規(guī)程與T/CECS 31-2017 版比較

與T/CECS 31－2017 版比較 表6

安全工作載荷新規(guī)程與CECS 31－2006 版比較詳見(jiàn)表6。

從表6 可知:(1)安全工作載荷分別降低了14%～23%，其節(jié)省鋼材的意義不容小覷，保守估計(jì)可節(jié)約鋼材20%，這對(duì)電纜橋架行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)字。 (2)2017 版規(guī)定D 級(jí)載荷的橋架寬度允許1 000mm，根據(jù)本文325kg/m 的最大寬度僅900mm，因此1 000mm 寬度有安全風(fēng)險(xiǎn)。 本規(guī)程采用A、B、C、D 和E 五級(jí)安全工作載荷是一個(gè)創(chuàng)新，而且找到了安全工作載荷與橋架容積B×H 的函數(shù)關(guān)系較合理，又便于掌握，對(duì)制造行業(yè)及電纜橋架工程建設(shè)無(wú)疑是一個(gè)貢獻(xiàn)。

4.3 本規(guī)程中安全工作載荷表達(dá)方法

由于T/CECS 31－2017 規(guī)范尚在執(zhí)行中，較為理想的辦法是對(duì)此內(nèi)容作局部修訂，若有困難，不得已則本規(guī)程采用兩組數(shù)據(jù)并存，Q 型符合T/CECS 31－2017，而P 型則體現(xiàn)本研究成果，以作過(guò)渡，見(jiàn)表7。

本規(guī)程的過(guò)渡方案 表7

4.4 是否需要另加余量

答案是不需要。 因?yàn)橐?.5 倍電纜容積率計(jì)算已經(jīng)有余量，實(shí)際工程中電纜橋架不可能達(dá)到1.5倍容積率。 此外，選取0.35kg/cm2·m 這個(gè)基數(shù)時(shí)，是取大截面電纜為代表，小截面電纜的單位容積率電纜質(zhì)量＜0.35kg/cm2·m，這里面也隱含了余量。