王永發(fā),孫震洲,湯群益,陳杰峰
(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 新能源工程院,浙江 杭州 311122)
目前,我國海上風(fēng)電發(fā)展迅速,截止2019年年初,國內(nèi)已建成18座海上升壓站。海上升壓站是海上風(fēng)電場(chǎng)電力匯集、升壓、輸出的要塞,其在復(fù)雜環(huán)境條件及各類組合工況下的結(jié)構(gòu)安全性直接影響海上風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)營。目前海上升壓站型式多為樁—導(dǎo)管架型式,該型式為滿足承載力要求,通常主導(dǎo)管直徑較大,使得導(dǎo)管架自身工程量增加。樁—套筒式海上升壓站,結(jié)構(gòu)更為輕盈、經(jīng)濟(jì),但對(duì)其樁—套筒的灌漿連接提出了新的需求。
針對(duì)灌漿連接設(shè)計(jì)研究,國內(nèi)主要集中在海上單樁風(fēng)機(jī)及導(dǎo)管架型式風(fēng)機(jī)領(lǐng)域。黃立維等[1-2]對(duì)海上測(cè)風(fēng)塔、樁式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了灌漿連接技術(shù)研究及試驗(yàn)研究,給工程提供了設(shè)計(jì)及指導(dǎo);康海貴等[3]針對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),給出了灌漿連接段的最優(yōu)構(gòu)造形式;莫仁杰[4]針對(duì)海上風(fēng)機(jī)樁式基礎(chǔ),分析了灌漿連接段受船舶碰撞、地震的受力及易損性,并改進(jìn)了可靠度分析方法;王偉等[5]采用DNV-OS-J101[6]規(guī)范對(duì)海上大直徑單樁風(fēng)機(jī)進(jìn)行校核,并對(duì)比了新舊規(guī)范的區(qū)別;王國慶[7]針對(duì)大直徑灌漿套管軸向承載力,開展了模型試驗(yàn),改進(jìn)錐形灌漿套管承載力計(jì)算方法;陳濤等[8]從灌漿連接抗震性能出發(fā),討論了灌漿連接段的破壞模式。總體上,針對(duì)腳靴式海上升壓站的灌漿連接,國內(nèi)尚未有針對(duì)性研究。
國外針對(duì)灌漿連接校核修訂了多本規(guī)范,從早期的DNV-OS-J101和DNVGL-ST-0126到DNVGL-ST-0126(2018)[9],新規(guī)范基本校核流程與前者一致,但新增了“設(shè)計(jì)準(zhǔn)則”、“灌漿料及其試驗(yàn)”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”等3節(jié)內(nèi)容,提出了新的要求;Norsok N-004 Rev3規(guī)范[10]特別針對(duì)樁—套筒的形式,采用了與DNV不同的校核方式,其針對(duì)性更強(qiáng),且相比于早期的Norsok N-004 Rev2[11],Rev3提出了更多、更嚴(yán)苛的灌漿連接設(shè)計(jì)要求。除規(guī)范設(shè)計(jì)外,Nikolaos[12]針對(duì)單樁風(fēng)機(jī)展開了灌漿連接的非線性研究,闡述了剪力鍵參數(shù)對(duì)灌漿連接段的影響;Paul等[13-14]通過試驗(yàn)的方式,論述了設(shè)計(jì)參數(shù)如溫度、養(yǎng)護(hù)等對(duì)灌漿連接段的影響,并討論了在設(shè)計(jì)壽命中灌漿料磨損對(duì)風(fēng)機(jī)完整性的評(píng)估??梢钥闯?,國外對(duì)灌漿連接研究較國內(nèi)更為深入和系統(tǒng)化,但針對(duì)國內(nèi)特殊的施工條件及海上升壓站形式,灌漿連接段研究仍不充分。
針對(duì)國內(nèi)江蘇某海域腳靴式海上升壓站結(jié)構(gòu),利用海洋工程有限元計(jì)算軟件SACS對(duì)其進(jìn)行精細(xì)化建模,提取得到該平臺(tái)在在位、地震、撞船及疲勞工況下灌漿連接段所受的外荷載,采用直接計(jì)算的方式,對(duì)灌漿連接的可靠性進(jìn)行校核,校核結(jié)果均滿足Norsok N-004規(guī)范的要求;并通過控制灌漿設(shè)計(jì)參數(shù),分析討論了其對(duì)灌漿連接段設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響,為今后腳靴式海上升壓站灌漿連接段設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)及優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。
腳靴式海上升壓站典型的樁套筒連接形式及受力特征如圖1所示,實(shí)際工程中灌漿分割器位于下軛板上方或者下方。樁—套筒灌漿連接的失效模式主要包括:①極端環(huán)境工況(ULS)及事故工況(ALS)下樁軸力和扭矩產(chǎn)生的連接面剪應(yīng)力導(dǎo)致強(qiáng)度失效;②極端環(huán)境工況(ULS)及事故工況(ALS)樁彎矩和剪力產(chǎn)生的漿體底部壓應(yīng)力導(dǎo)致強(qiáng)度失效;③疲勞工況下(FLS)樁軸力和彎矩產(chǎn)生的連接面交替剪應(yīng)力導(dǎo)致疲勞失效;④疲勞工況下(FLS)樁彎矩和剪力產(chǎn)生的漿體底部拉應(yīng)力導(dǎo)致疲勞失效。針對(duì)以上失效模式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以Norsok N-004 Rev3規(guī)范[10]為依據(jù),對(duì)各工況中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析。
圖1 典型的樁—套筒連接形式及受力特征示意Fig. 1 Typical pile-sleeve connection form and force characteristic diagram
灌漿連接段的破壞與灌漿體應(yīng)力水平密切相關(guān),灌漿體的應(yīng)力水平不僅與各主控工況下灌漿段所受的荷載有關(guān),還與灌漿段的長徑比、剪力鍵的尺寸和間距、套筒與樁的相對(duì)尺寸等諸多變量有關(guān)。因此,針對(duì)灌漿段的構(gòu)造參數(shù),Norsok N-004規(guī)范給出了相應(yīng)的建議要求,如表1所示。
表1 灌漿段構(gòu)造參數(shù)建議范圍Tab. 1 Proposed range of structural parameters for grouted connection
表中:fck為75 mm 立方灌漿體的特征抗壓強(qiáng)度,MPa;Dp為樁的外徑,tp為樁的壁厚;Ds為套筒的外徑,ts為套筒的壁厚;Dg為灌漿環(huán)外徑,tg為灌漿環(huán)壁厚;h為剪力鍵高度;s為剪力鍵間距;Le為灌漿有效長度,單位均為mm。
由軸力和扭矩引起的剪應(yīng)力組合為:
(1)
在計(jì)算灌漿有效長度Le時(shí),應(yīng)當(dāng)充分考慮不起灌漿連接作用的灌漿段,須從實(shí)際灌漿長度中去除該灌漿長度,包括:①灌漿分隔器的自身長度;②灌漿段中無法確定有效增強(qiáng)連接承載力的灌漿段;③考慮灌漿端面連接較弱區(qū),可取灌漿厚度的2倍。
若灌漿連接段中不設(shè)置剪力鍵或剪力鍵不起正向作用時(shí)(如抗扭),則灌漿連接面特征強(qiáng)度為:
(2)
通常,與海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)相比,海上升壓站由于上部組塊復(fù)雜,重量往往是導(dǎo)管架重量的幾倍,灌漿段須合理布置剪力鍵來增強(qiáng)灌漿連接段的抗剪強(qiáng)度??紤]到剪力鍵對(duì)漿體連接面特征強(qiáng)度的影響,其特征強(qiáng)度可由下式計(jì)算得到:
(3)
在服役過程中,漿體始終承受由樁傳遞的軸力及扭矩,須校核漿體本身受剪受扭能否滿足設(shè)計(jì)要求,漿體的特征強(qiáng)度為:
(4)
因此,灌漿連接面及漿體受剪受扭應(yīng)當(dāng)滿足以下條件:
(5)
式中:γm為灌漿連接面?zhèn)鬟f強(qiáng)度材料系數(shù),ULS工況取2,ALS工況取1.5。
灌漿連接段除相對(duì)滑移破壞外,也存在漿體底部受壓破壞的情況。鋼和漿體間的設(shè)計(jì)接觸壓力為:
(6)
最大設(shè)計(jì)主應(yīng)力可由下式計(jì)算得到:
(7)
式中:μ為鋼和漿體間的摩擦力系數(shù),取μ=0.7。
漿體抗壓強(qiáng)度為:
(8)
最大設(shè)計(jì)主應(yīng)力應(yīng)滿足:
(9)
海上升壓站服役期長,在服役階段需承受長期的可變載荷,使得灌漿連接段軸向載荷從壓力到拉力往復(fù)變化,因此須對(duì)灌漿連接段進(jìn)行疲勞校核。由于對(duì)灌漿連接段長期承載力的研究數(shù)據(jù)較少,特別是彎矩引起的疲勞效應(yīng),因此目前還沒有建立樁—套筒連接在循環(huán)載荷作用下的承載力評(píng)估方法。目前,可采用簡化疲勞校核方法。
考慮最小固定荷載和可變荷載,校核重現(xiàn)期為100 a、荷載系數(shù)γf=1.0的樁最大軸向拉力Pt, Sd。設(shè)計(jì)軸向拉力承載力為:
(10)
式中:γfm為材料系數(shù),若群樁僅為一樁或兩樁時(shí)取2.0,為三樁或多樁取1.5;CPMred為交變力矩的折減系數(shù),可由下式計(jì)算得到:
(11)
式中:MPEnv, Sd為100年一遇的環(huán)境荷載引起的彎矩;Mref=0.001W·E,E為樁鋼的彈性模量,W為樁彈性截面模量。
最大軸向拉力Pt, Sd應(yīng)滿足:
Pt, Sd≤Pf, Rd
(12)
漿體底部的應(yīng)力變化是由樁的循環(huán)彎矩和剪力引起的。對(duì)于沒有布置增強(qiáng)鋼筋的灌漿連接,應(yīng)限制漿體底部拉應(yīng)力,以使其在平臺(tái)的使用壽命期間不出現(xiàn)超過漿體抗拉承載力的情況。漿體所受的拉應(yīng)力為:
(13)
漿體底部FLS工況下最大拉應(yīng)力應(yīng)滿足:
(14)
式中:ftk為漿體的特征抗拉強(qiáng)度,γfm為漿體疲勞校核的材料系數(shù),取1.25。
若灌漿段底部未設(shè)置增強(qiáng)鋼筋,且底部壓/拉應(yīng)力不滿足式(14),則需在套筒底部設(shè)置合理的縱向及環(huán)向鋼筋來提高承載力。若在增加鋼筋后,且增強(qiáng)鋼筋滿足設(shè)計(jì)要求,則可認(rèn)為滿足拉應(yīng)力疲勞承載力要求,無需對(duì)FLS工況進(jìn)行底部拉應(yīng)力的校核。
灌漿連接段抗扭疲勞校核可通過下式進(jìn)行:
τbtEnv100, Sd≤fbkf
(15)
若設(shè)置增強(qiáng)鋼筋來提高灌漿連接段的強(qiáng)度和耐久性,則單根鋼筋的截面積應(yīng)滿足:
(16)
式中:b為縱向鋼筋間距,mm;fsd為鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度,MPa,fsd=fsy/γrm,fsy為鋼筋特征屈服應(yīng)力,MPa,γrm為鋼筋的材料系數(shù),取1;AS為鋼筋面積,m2;μ為摩擦系數(shù),取0.6。
位于江蘇海域的某項(xiàng)目腳靴式海上升壓站,其所屬風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)規(guī)模為300 MW。該海上升壓站上部組塊采用5層布置,平面尺寸為38.10 m×41.54 m(包含樓梯和外露平臺(tái)),高20.90 m(一層甲板至屋頂層頂),最高點(diǎn)距平均海平面34.65 m,采用空間桁架結(jié)構(gòu)。海上升壓站基礎(chǔ)采用4腿腳靴式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)導(dǎo)管架頂標(biāo)高13.61 m,底標(biāo)高-16.16 m,鋼管樁采用φ2 438 mm開口變壁厚鋼管樁,壁厚為50~70 mm,樁長為73.00 m,樁頂高程為-6.16 m,樁底高程為-79.61 m,樁入泥深度63 m。
圖2 實(shí)例結(jié)構(gòu)的SACS有限元模型Fig. 2 Finite-element model of SACS
參考文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16],采用SACS 11.0軟件對(duì)該海上升壓站進(jìn)行詳細(xì)建模,灌漿連接分析時(shí)需先對(duì)海上升壓站進(jìn)行在位[17]、地震[18]、疲勞[19]及靠船[15]分析,提取樁頭在各組合工況下的最大荷載,再根據(jù)第一章所述方法進(jìn)行灌漿連接段的校核。該海上升壓站SACS模型如圖2所示。
該海上升壓站覆蓋剪力鍵的公稱灌漿長度為6.0 m,上下軛板距離7.0 m。在灌漿長度范圍內(nèi)均勻布置剪力鍵,剪力鍵間距為500 mm,高度8 mm,寬度16 mm鋼筋。在套筒和樁之間空隙填充灌漿材料,形成厚度為169 mm的環(huán)形灌漿截面,灌漿料為水泥基灌漿料,標(biāo)稱圓柱體抗壓強(qiáng)度在28 d為90 MPa[20]。對(duì)其進(jìn)行構(gòu)造校核,結(jié)果如表2所示,灌漿連接段的構(gòu)造參數(shù)滿足建議要求。
表2 灌漿連接構(gòu)造要求校核Tab. 2 Check of structural principles for grouted connections
根據(jù)構(gòu)造參數(shù)可得徑向剛度CS=0.015 1,將其帶入灌漿連接段連接面抗剪強(qiáng)度公式,可得到fbks=1.698 MPa,fbkf=0.098 7 MPa,漿體受剪/扭強(qiáng)度fbkg=6.903 MPa。提取SACS軟件中各主控工況下的樁頭所受的最大力,對(duì)灌漿連接段進(jìn)行校核。以海上升壓站工作工況為例,4個(gè)樁頭所受最大軸力為14 859.57 kN,面內(nèi)剪力為4 910.74 kN,面外剪力為132.07 kN,扭矩為31.82 kN·m,面內(nèi)彎矩為1 571.11 kN·m,面外彎矩為37 485.04 kN·m。則可計(jì)算的軸力引起的剪應(yīng)力為0.353 MPa,扭矩引起的剪應(yīng)力為0.000 62 MPa,漿體所受合應(yīng)力為0.353 MPa??紤]到該工況為ULS工況,材料系數(shù)γm=2,校核時(shí)采用規(guī)范ANSI/AISC 360-05[21]中Maximum Component Unity Check(即UC值)進(jìn)行分析討論,可得到灌漿連接面受剪UC為0.42,受扭UC為0.012 1,漿體受合力UC值為0.102,UC值均小于1,滿足設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)式(8)計(jì)算得到漿體的極限抗壓承載力為60.293 MPa。設(shè)計(jì)初期,灌漿結(jié)束位置位于下軛板上方且不存在縱向增強(qiáng)鋼筋,受壓系數(shù)CA=2,根據(jù)工作工況下樁頭內(nèi)力,得到最大設(shè)計(jì)主應(yīng)力為37.562 MPa,UC值為0.624<1,但對(duì)于極端工況下的漿體底部最大設(shè)計(jì)主應(yīng)力達(dá)到了65.599 MPa,UC值為1.088>1,根據(jù)規(guī)范[13]要求,須對(duì)灌漿連接段進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計(jì)。
一方面考慮到極端工況下漿體底部承壓無法滿足設(shè)計(jì)需求,另一方面在實(shí)際導(dǎo)管架安裝及打樁時(shí),實(shí)際地質(zhì)與勘測(cè)地質(zhì)的差別,打樁可能存在無法打至指定高程,剪力鍵在打樁中失效等不利因素,本海上升壓站設(shè)置了縱向HRB500增強(qiáng)鋼筋對(duì)灌漿連接段強(qiáng)度進(jìn)行提高。縱向增強(qiáng)鋼筋位于下軛板上方,受壓系數(shù)CA=1。所需單根鋼筋最小截面積為51.7 mm2,鋼筋最小長度為1 033 mm,鋼筋最大間距為238 mm,最小間距為59.5 mm。項(xiàng)目根據(jù)其他主控工況的荷載情況,并滿足增強(qiáng)鋼筋的布置要求,在套筒內(nèi)側(cè)下軛板上方一圈布置116根縱向鋼筋,鋼筋間距為71 mm,直徑12 mm,鋼筋長度為1 450 mm,得到最大設(shè)計(jì)主應(yīng)力為18.781 MPa,即漿體的受壓UC值為0.312<1,滿足設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)第1節(jié)所述,疲勞工況需校核當(dāng)樁頭出現(xiàn)拉力時(shí)的應(yīng)力狀態(tài),根據(jù)SACS軟件計(jì)算結(jié)果,最大軸向拉力為210.98 kN,此時(shí)設(shè)計(jì)合剪力為216.53 kN,設(shè)計(jì)合彎矩為1 166.4 kN·m,設(shè)計(jì)扭矩為85.3 kN·m,則可以得到疲勞工況下抗拉承載力為1.06 kN,UC值為0.019 8,遠(yuǎn)小于1,滿足設(shè)計(jì)要求。海上升壓站設(shè)置了增強(qiáng)鋼筋,且鋼筋強(qiáng)度、數(shù)量滿足規(guī)范要求,則可認(rèn)為漿體底部拉應(yīng)力滿足疲勞承載力的校核要求,可不進(jìn)行漿體底部抗拉承載力校核。
表3 各工況樁頭最大荷載Tab. 3 The maximum force of pile head under various operating conditions
表4 各工況設(shè)計(jì)結(jié)果Tab. 4 Check result under various operating conditions
(續(xù)表)
海上升壓站實(shí)際安裝打樁過程中,往往會(huì)由于地質(zhì)資料的不確定性、打樁設(shè)備的誤差等原因,使得原設(shè)計(jì)的有效灌漿連接段存在偏移或灌漿段承載力效果減弱。為盡量避免由于灌漿連接段與設(shè)計(jì)值不符時(shí)灌漿連接承載力發(fā)生急劇變化的情況,須對(duì)灌漿連接段剪力鍵布置、灌漿料選擇等進(jìn)行優(yōu)化和充分考慮。此外,分析灌漿連接段各項(xiàng)參數(shù)對(duì)承載強(qiáng)度的敏感性,有助于灌漿連接段的設(shè)計(jì),為后續(xù)海上升壓站工程提供指導(dǎo)。
式(2)~(4)及(8)分別給出了連接面受剪、受扭,漿體受剪受扭和漿體受壓時(shí)的承載力強(qiáng)度,研究灌漿材料的抗壓強(qiáng)度對(duì)承載力強(qiáng)度的敏感性有助于設(shè)計(jì)時(shí)灌漿料的優(yōu)選。當(dāng)樁、套筒參數(shù)確定時(shí),通過控制灌漿料的抗壓強(qiáng)度來增強(qiáng)灌漿連接段的承載強(qiáng)度,其各方面的承載強(qiáng)度增長速率隨著灌漿強(qiáng)度變化如圖3所示。從圖中可以看出,承載力強(qiáng)度隨著灌漿料強(qiáng)度增加進(jìn)而增長的趨勢(shì)變緩,承載強(qiáng)度增長最明顯的為漿體受壓承載力,即當(dāng)漿體受壓校核難以滿足要求時(shí),可通過增加灌漿料強(qiáng)度來有效增加漿體受壓承載力。當(dāng)漿體的抗壓強(qiáng)度超過60 MPa,連接面和漿體的受剪、受扭增長呈現(xiàn)緩態(tài),即當(dāng)這兩者強(qiáng)度難以滿足要求時(shí),通過增加灌漿料的抗壓強(qiáng)度作用不明顯,需通過布置剪力鍵來提高其承載力。
圖3 承載力強(qiáng)度隨灌漿料抗壓強(qiáng)度的增長曲線Fig. 3 The increase of bearing capacity with the compressive strength of grout
對(duì)于存在剪力鍵情況,有必要分析連接面受剪及漿體承載力與剪力鍵高度的關(guān)系,從而達(dá)到設(shè)計(jì)優(yōu)化。基于式(3)和(4),圖4給出了連接面受剪和漿體受扭受剪承載力強(qiáng)度隨剪力鍵高度變化的增長速率曲線,可以看出連接面受剪承載力隨著剪力鍵高度增加始終保持增長趨勢(shì),但當(dāng)剪力鍵高度大于6 mm后,增長速率明顯下降;此外,漿體受壓受剪承載力隨著剪力鍵高度增加略微減小,相比于連接面受剪承載力,其變化可忽略,因此為有效提高連接面受剪承載力,可提高剪力鍵高度來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際工程中,需考慮插樁時(shí)的安裝精度,剪力鍵過高不利于樁的順利插入,因此需綜合考慮剪力鍵高度與灌漿樁、套筒間的關(guān)系。若承載力仍無法滿足設(shè)計(jì)需求時(shí),可通過改變剪力鍵間距來提高灌漿連接段的承載力。
同樣的,針對(duì)式(3)和(4),研究剪力鍵間距與承載力之間的關(guān)系,為剪力鍵布置提供設(shè)計(jì)優(yōu)化思路。圖5給出了這兩者強(qiáng)度隨著剪力鍵間距s變化的增長速率曲線,可以看出漿體受扭受剪隨著剪力鍵間距增大呈下降趨勢(shì),連接面受剪承載力在間距100~200 mm范圍內(nèi)具有明顯增加趨勢(shì),在間距大于200 mm后,連接面受剪承載力基本保持不變。因此綜合考慮連接面受剪強(qiáng)度和漿體受壓受剪強(qiáng)度,且使得剪力鍵構(gòu)造滿足設(shè)計(jì)要求,可建議選取剪力鍵間距在250~600 mm范圍內(nèi)。
圖4 承載力強(qiáng)度隨剪力鍵高度的增長曲線Fig. 4 The increase of bearing capacity with the height of shear keys
圖5 承載力強(qiáng)度隨剪力鍵間距的增長曲線Fig. 5 The increase of bearing capacity with the spacing of shear keys
目前尚無針對(duì)國內(nèi)腳靴式海上升壓站灌漿連接段的研究,采用單樁風(fēng)機(jī)的灌漿連接計(jì)算校核方法無法考慮上下軛板、增強(qiáng)鋼筋對(duì)灌漿連接段的影響,且國內(nèi)針對(duì)灌漿連接段計(jì)算尚未形成體系,無法針對(duì)實(shí)際工程問題來優(yōu)化灌漿連接段。通過上述研究,得到如下結(jié)論:
1) 針對(duì)ULS、ALS和FLS工況,通過控制材料系數(shù)、合理布置增強(qiáng)鋼筋等,給出了詳細(xì)的灌漿連接段計(jì)算理論,為后續(xù)國內(nèi)腳靴式海上升壓站灌漿連接段計(jì)算提供理論依據(jù);
2) 以江蘇某海域腳靴式海上升壓站為例,計(jì)算了在位、地震、撞船及疲勞工況下灌漿連接段的承載力強(qiáng)度,并以UC值的方式對(duì)其進(jìn)行校核, 結(jié)果表明該設(shè)計(jì)均滿足規(guī)范要求;
3) 針對(duì)實(shí)際工程中的問題,建議可提高漿體的抗壓強(qiáng)度來有效提高漿體底部受壓承載力;當(dāng)剪力鍵布置符合規(guī)范建議值時(shí),可取較大剪力鍵高度來有效提高連接面受剪承載力,取剪力鍵間距在250~600 mm范圍內(nèi),提高連接面受剪承載力的同時(shí)保證漿體受壓受剪承載力,為今后各主控工況下灌漿連接段的優(yōu)化提供參考與借鑒。