海上風(fēng)電大直徑單樁基礎(chǔ)灌漿連接段軸向靜載荷試驗(yàn)

李 煒，卞恩林，仲偉秋，方 滔，姜鵬賓，徐 江

(1. 中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310014； 2. 華東海上風(fēng)電省級(jí)高新技術(shù)企業(yè)研究開(kāi)發(fā)中心，浙江杭州 310014； 3. 國(guó)華能源投資有限公司，江蘇鹽城 224000； 4. 大連理工大學(xué)司法鑒定中心，遼寧大連 116024； 5. 大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連 116024)

海洋風(fēng)能屬于清潔可再生能源，海上風(fēng)電場(chǎng)在歐洲推廣取得了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。我國(guó)海上風(fēng)能資源可開(kāi)發(fā)量巨大，在陸上風(fēng)電得到快速發(fā)展的同時(shí)，海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)也已展開(kāi)。

海洋結(jié)構(gòu)物與基礎(chǔ)連接過(guò)渡形式的研究已取得快速發(fā)展，在國(guó)外的應(yīng)用也已較為成熟[1]。灌漿連接的構(gòu)造形式廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中。此種連接形式受力行為的研究在國(guó)外已較充分，但其研究成果主要限制在受力性能較低的灌漿料中[2-3]。支撐風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是保證風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵部位，針對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)展開(kāi)[1，4-7]。單樁基礎(chǔ)是歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)的主導(dǎo)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。單樁基礎(chǔ)直徑動(dòng)輒4 m甚至更大，上部塔筒與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常以灌漿連接段相連，因此，灌漿連接段的優(yōu)化設(shè)計(jì)及力學(xué)特性研究成為一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容。國(guó)外已形成明確的設(shè)計(jì)規(guī)范[8-10]。然而對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，海洋開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，研究涉及灌漿連接段在軸向荷載、水平向荷載(含彎矩)、扭轉(zhuǎn)荷載的靜載荷及循環(huán)荷載作用下的承載性能、變形、疲勞特性等方面，多為介紹引進(jìn)或在其基礎(chǔ)上作引申研究[11-14]，試驗(yàn)研究尚未深入展開(kāi)。

1 軸向靜載荷試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

以某大直徑單樁基礎(chǔ)為主要研究對(duì)象，樁徑4.5～6.2 m，壁厚50～70 mm，樁長(zhǎng)76 m，入土47.5 m。4組模型按單樁基礎(chǔ)連接段的原型設(shè)計(jì)尺寸1:10的縮尺比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。鋼管外徑與壁厚、連接段長(zhǎng)度均按該比例進(jìn)行縮尺，由于縮尺之后，環(huán)形空間灌漿厚度不滿足規(guī)范的要求，所以在DNV的要求之內(nèi)，設(shè)定一個(gè)灌漿厚度。剪力鍵的尺寸與間距均按前面優(yōu)化結(jié)果設(shè)定，考慮到剪力鍵按1:10縮尺后太小，選擇剪力鍵為寬10 mm，高5 mm，間距125 mm，符合DNV規(guī)范要求。

模型在尺寸上與實(shí)際工程的連接段存在相似性，而且模型材料也選用實(shí)際工程的材料，使模型的彈性模量、泊松比、最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力與實(shí)際相符。在選取縮尺比例時(shí)，一方面估計(jì)了模型最大應(yīng)變和最大水平位移值能否被測(cè)到，并保證足夠的精度，同時(shí)，也考慮了加載條件和試驗(yàn)臺(tái)架以滿足試驗(yàn)要求。由于模型與原型符合相似條件，且模型材料選擇恰當(dāng)，模型制作滿足要求，加載方法也與原型相似，量測(cè)技術(shù)滿足一定的精度，所以經(jīng)縮尺后的模型能較好地模擬實(shí)際連接段。

灌漿材料相關(guān)參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度7 MPa，抗壓強(qiáng)度130 MPa，彈性模量55 GPa，泊松比0.19，本構(gòu)模型為KINH。鋼材選取Q345，卷扎成符合設(shè)計(jì)要求的鋼管并焊接。剪力鍵按設(shè)計(jì)尺寸將其切割成矩形斷面的鋼條。焊條選取J422-3.2普通焊條，手工焊接。試件按照灌漿連接段長(zhǎng)度及是否設(shè)置剪力鍵，區(qū)分為4種：較短無(wú)剪力鍵、較短有剪力鍵、較長(zhǎng)有剪力鍵、錐形有剪力鍵，分別以A，B，C，D表示。試件設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1及圖1。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Parameters of the specimens

A B C D圖1 模型試驗(yàn)試件(單位: mm)Fig.1 Specimens of the model test (unit: mm)

1.2 加 載

本試驗(yàn)使用1 000 t壓力試驗(yàn)機(jī)實(shí)施加載(圖2)，分級(jí)施加軸向荷載。采用力與位移聯(lián)合控制加載過(guò)程，對(duì)于力控制階段的加載速率選取1 200 kN/min，對(duì)于位移控制階段的加載速率根據(jù)試件在加載過(guò)程中的位移及荷載變化情況在區(qū)間0.01～0.06 mm/min內(nèi)取值，約為力控制速率的1/3～1/5，并設(shè)定一個(gè)較低的力終止值。最大程度反映試件受力變形過(guò)程。加載歷程如圖3所示。

圖2 加載設(shè)備 圖3 加載示意 Fig.2 Loading facility Fig.3 Loading process

1.3 量測(cè)內(nèi)容及試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)應(yīng)用IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)采集數(shù)據(jù)值和整體變化曲線。

量測(cè)內(nèi)容：(1)荷載F(kN)：采用200 t荷載傳感器，采集施加荷載值；(2)位移u(103μm)：沿試件高度方向間距布置滑式電阻位移計(jì)(最上和最下兩道剪力鍵處)，采集加載過(guò)程中試件的位移值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

荷載位移曲線如圖4所示。根據(jù)位移計(jì)標(biāo)定，試件實(shí)際位移為圖中值除以50。不同試件之間通過(guò)對(duì)比其荷載-位移曲線(頂部)得到其性能差異(如圖4(e)～(g))。

(1)試件A：由圖4(a)可見(jiàn)，試件從加載到大約350 kN位移幾乎無(wú)變化維持在零左右，可以認(rèn)為試件無(wú)傷害，且無(wú)相對(duì)滑移；當(dāng)荷載超過(guò)350 kN時(shí)試件位移迅速增大且荷載位移曲線幾乎為直線；在荷載約為350 kN時(shí)，荷載出現(xiàn)突然減小，而后繼續(xù)增大，可以認(rèn)為試件依靠摩擦力承載直至產(chǎn)生一個(gè)很大的位移停止。

(2)試件B：由圖4(b)可以看出，試件位移隨著加載歷程均勻變化，當(dāng)加載方式轉(zhuǎn)換后，其變化率基本維持不變；且其前段的變化率小于上部前段變化率。

(3)試件C：由圖4(c)可以看出，試件上部位移隨荷載基本呈線性變化，而下部位移在荷載達(dá)到約600 kN之前基本不變，超過(guò)600 kN后下部位移隨荷載基本呈線性變化，下部荷載位移曲線斜率很小，位移增長(zhǎng)速率緩慢。

(4)試件D：由圖4(d)可以看出，其上端位移均基本屬于線性變化，下部位移變化率在約100 kN處和上端相近，而后位移變化緩慢。

由圖4(e)可見(jiàn)，當(dāng)荷載小于約350 kN時(shí)，試件A和B變形基本一致，而當(dāng)荷載超過(guò)此值后試件A位移增加很快，試件基本失效，而試件B位移基本遵循線性變化且變化率基本和前段一致?？梢哉J(rèn)為后者受力性能優(yōu)于前者。

由圖4(f)可見(jiàn)，當(dāng)荷載小于1 400 kN時(shí)，試件C和B變形基本呈線性變化，且變化率一致，而當(dāng)荷載超過(guò)1 400 kN后，后者的位移增長(zhǎng)速率是前者的3～5倍，可以認(rèn)為，對(duì)于較大的荷載，前者較優(yōu)。

由圖4(g)可見(jiàn)，當(dāng)荷載小于1 400 kN時(shí)，試件B和D變形基本呈線性變化，且前者的變化率約為后者的1/2～2/3左右，當(dāng)荷載超過(guò)1 400 kN后，前者的變化率約為后者的2倍，可以認(rèn)為荷載較小時(shí)前者優(yōu)于后者，荷載較大時(shí)后者優(yōu)于前者。

(a) 試件A頂部與底部 (b) 試件B頂部與底部

(c) 試件C頂部與底部 (d) 試件D頂部與底部

(e) 試件A與B (f) 試件B與C (g) 試件B與D圖4 荷載-位移曲線Fig.4 Load-deformation curves

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)單個(gè)試件在軸向荷載作用下，較短無(wú)剪力鍵試件軸向承載力最低，且破壞開(kāi)始意味著破壞終止，為明顯脆性破壞；較短有剪力鍵試件軸向承載力較強(qiáng)，變形性能較強(qiáng)；較長(zhǎng)有剪力鍵試件軸向承載力較高，內(nèi)部在加載過(guò)程中局部破壞嚴(yán)重；錐形有剪力鍵試件軸向承載力較強(qiáng)，局部破壞嚴(yán)重。

(2)較短有剪力鍵試件軸向承載力高于較短無(wú)剪力鍵試件；荷載較小時(shí)，較長(zhǎng)有剪力鍵試件和較短有剪力鍵試件受力性能相當(dāng)，但當(dāng)荷載超過(guò)一定值，較短有剪力鍵試件位移增加速率大于較長(zhǎng)有剪力鍵試件；試件D變形較較短有剪力鍵試件均勻。

(3)較短無(wú)剪力鍵試件承載力主要取決于套管與灌漿結(jié)石體的粘接強(qiáng)度。建議嘗試對(duì)樁套管外表面及外套管內(nèi)表面進(jìn)行噴砂等工藝處理，以提高粘接強(qiáng)度。

(4)如何使較短有剪力鍵試件沿高度方向受力均勻，是提高其受力性能的主要措施，同時(shí)建議探索其他剪力鍵截面形式，以使截面剛度平穩(wěn)變動(dòng)以降低應(yīng)力集中程度。

(5)對(duì)于較長(zhǎng)有剪力鍵試件，建議合理設(shè)置剪力鍵參數(shù)以及連接段長(zhǎng)度使其受力沿連接段長(zhǎng)度均勻；對(duì)于錐形有剪力鍵試件，建議減小錐形擴(kuò)底直徑，同時(shí)可以嘗試分段擴(kuò)底以實(shí)現(xiàn)平緩過(guò)渡。

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