自鎖頭-預(yù)應(yīng)力錨索基礎(chǔ)在海洋平臺觀測塔工程中的應(yīng)用

劉慧群

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司 上海200092)

引言

海上高聳結(jié)構(gòu)，在風(fēng)、浪、流荷載的作用下，基礎(chǔ)除承受壓力外，還承受拉力。樁基礎(chǔ)由于既可以受壓又可以受拉，為常用基礎(chǔ)形式。對于巖石地基，雖然樁基礎(chǔ)承載力高，但鉆孔難度大，施工耗時較長，費(fèi)用高，且易出現(xiàn)鉆桿彎折等現(xiàn)象。為避免此類情況發(fā)生，海上高聳結(jié)構(gòu)在選擇建造地址時往往避開巖石地基。

巖石錨桿基礎(chǔ)通過錨桿將基礎(chǔ)與巖石連接為整體，依靠錨桿與砂漿、砂漿與巖石的握裹力提供較強(qiáng)的抗拔能力，適用于巖石地基。嚴(yán)贛英等[1]從現(xiàn)行各規(guī)范對全長粘結(jié)巖石錨桿計算的規(guī)定出發(fā)，對比分析各行業(yè)對全長粘結(jié)巖石錨桿承載力驗算的一般要求，總結(jié)和探討全長粘結(jié)巖石錨桿承載力驗算的一般方法?；艉瓯蟮萚2]結(jié)合工程實例，對巖石錨桿風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行研究。劉明貴等[3]采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D對全長粘結(jié)式錨桿在拉拔試驗時的受力狀況進(jìn)行數(shù)值分析。曾華明等[4]對巖石錨桿在張拉荷載下的軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力分布進(jìn)行了詳細(xì)研究。馬逸鵠等[5]提出預(yù)應(yīng)力自鎖頭錨桿基礎(chǔ)，并對其抗疲勞性能進(jìn)行了研究。付秋順等[6]通過數(shù)值模擬研究了錨桿直徑、錨桿長度對預(yù)應(yīng)力巖石錨桿風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承載力及穩(wěn)定性的影響。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會需求的增長，海洋平臺越來越高，且向深海發(fā)展，環(huán)境條件越來越惡劣，錨桿基礎(chǔ)受錨桿直徑及強(qiáng)度的限制，其承載力難以滿足設(shè)計需求。文獻(xiàn)[1-6]在巖石錨桿基礎(chǔ)方面做了大量深入研究，在此基礎(chǔ)上，本文提出自鎖頭-預(yù)應(yīng)力錨索基礎(chǔ)。

該基礎(chǔ)形式通過底部自鎖頭的自鎖原理將錨索的拉力轉(zhuǎn)換為巖石的抗壓強(qiáng)度，充分利用巖石抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，不依靠漿體與巖石的握裹力進(jìn)行抗拔，從而有效避免了巖石與砂漿的脆性問題。錨索抗拔承載力高且抗疲勞性能好，適用于深水位海洋工程巖石地基，可大幅度節(jié)省基礎(chǔ)造價及施工難度。本文結(jié)合工程實例，對其受力機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 工程概況

東海某海洋平臺觀測塔(圖1)總高度為135m，由導(dǎo)管架及上部觀測塔組成，其中導(dǎo)管架高度約60m，觀測塔高75m。導(dǎo)管架底部根開為36m，頂部為22m，觀測塔由四個標(biāo)準(zhǔn)段及三個變坡段組成，其中標(biāo)準(zhǔn)段寬度分別為8m、5m、3m、1.5m。觀測塔上設(shè)有風(fēng)速儀、通信天線等設(shè)備；導(dǎo)管架上設(shè)有應(yīng)變計等各種健康監(jiān)測設(shè)備。此外，在25.2m標(biāo)高，即導(dǎo)管架與觀測塔轉(zhuǎn)接處，設(shè)有主設(shè)備平臺，尺寸為22m×28m，其上設(shè)有太陽能、起重機(jī)等多種設(shè)施。

圖1 海洋平臺尺寸立面Fig.1 The measure-vertical view of the offshore platform

2 設(shè)計參數(shù)

該海洋平臺觀測塔設(shè)計壽命為30年，位于水深35m的中風(fēng)化凝灰?guī)r上，海洋平臺受環(huán)境荷載控制，該處百年一遇最大波高為19.8m，最大波周期為14.8s；表層流速為215cm/s，底層流速為171cm/s；1min平均風(fēng)速為51.5m/s。其余1年重現(xiàn)期、10年重現(xiàn)期的環(huán)境參數(shù)見表1、表2。

不同流向海浪阻擋系數(shù)不同，根據(jù)API RP 2A-2010[7]選取海浪阻擋系數(shù)，見表3。

表1 波浪參數(shù)Tab.1 The parameter of wave

表2 不同重現(xiàn)期的風(fēng)速值Tab.2 The wind speed of different return periods

表3 不同流向海浪阻擋系數(shù)Tab.3 Barrier coefficients of different flow direction waves

采用SACS對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，如圖2所示。導(dǎo)管架柱腿、橫斜桿等主要受力構(gòu)件均為DH36鋼管，屈服強(qiáng)度為355MPa，標(biāo)準(zhǔn)段柱腿直徑約為2670mm，壁厚約35mm，橫斜桿直徑為800mm～1000mm，壁厚為20mm～30mm。上部測風(fēng)塔采用Q345b鋼材，塔柱直徑約為219mm～600mm，壁厚約10mm～20mm，橫斜桿直徑約為114mm～325mm，壁 厚 約6mm～10mm。導(dǎo)管架部分桿件均為剛接，測風(fēng)塔部分考慮節(jié)點(diǎn)形式，塔柱為剛接，橫斜桿為鉸接。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)加厚段、支撐桿件及測風(fēng)塔構(gòu)件均在模型中建出，導(dǎo)管架斜撐偏移以便與弦桿表面上相鄰的斜撐至少保持75mm的間隙。登船通道等通過桿件模擬，陽極重量、電纜管、耳板等以荷載的形式施加。飛濺區(qū)的構(gòu)件考慮腐蝕，同時考慮海生物對海平面以下構(gòu)件的影響?；A(chǔ)考慮彈性剛度，以彈簧的形式模擬。

圖2 SACS計算模型Fig.2 SACE model

海洋平臺觀測塔在位分析包括操作工況和極端工況下的計算，其中操作工況采用10年重現(xiàn)期的環(huán)境參數(shù)，極端工況采用100年重現(xiàn)期的環(huán)境參數(shù)。操作工況下波浪動力參數(shù)為1.0，極端工況下為0.95。光滑桿件Cd取0.65，Cm取1.6；粗糙Cd取1.05，Cm取1.2。海洋平臺觀測塔上主要荷載有結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、活荷載、環(huán)境荷載(風(fēng)、波、流)，不同工況下荷載組合系數(shù)不同，觀測塔整體分析組合系數(shù)見表4。

表4 荷載組合系數(shù)Tab.4 Load combination coefficient

3 基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 地質(zhì)信息

根據(jù)勘察報告，該場地為中風(fēng)化、微風(fēng)化安山巖，其中中風(fēng)化安山巖抗壓承載力特征值為2000kPa，微風(fēng)化安山巖抗壓承載力特征值為3000kPa，其巖石基本參數(shù)見表5。

表5 巖體物理力學(xué)參數(shù)Tab.5 Physical and mechanical parameters of rock

3.2 基礎(chǔ)方案

采用自鎖頭-預(yù)應(yīng)力錨索基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)形式主要由混凝土柱靴、自鎖頭、鋼絞線組成。每根導(dǎo)管架柱腿內(nèi)設(shè)有9組自鎖頭-預(yù)應(yīng)力錨索，鋼絞線外設(shè)有帶U形卡的護(hù)管，均勻分布在觀測塔柱腿內(nèi)部，每組內(nèi)有6根直徑21.8mm、極限強(qiáng)度為1860MPa的鋼絞線，每根鋼絞線施加的預(yù)應(yīng)力為270kN，每孔鋼絞線總張拉力為1620kN。錨索深入巖石約13m，且已進(jìn)入微風(fēng)化層，基礎(chǔ)立面及詳圖如圖3所示。由于預(yù)緊力的存在，基礎(chǔ)始終處于受壓狀態(tài)，上部結(jié)構(gòu)傳來的壓力、彎矩由混凝土柱靴承擔(dān)，剪力則由壓力引起的摩擦力承擔(dān)。同時錨索底部設(shè)有自鎖頭，利用其自鎖原理，將鋼絞線的拉力轉(zhuǎn)換成自鎖頭膨脹力，從而擠壓巖石，產(chǎn)生摩擦力，用于抵抗產(chǎn)生的拉力。

圖3 基礎(chǔ)立面及詳圖Fig.3 Thevertical and details view of foundation

3.3 柱靴受壓、受剪

計算結(jié)果表明，各工況下柱腳均處于受壓狀態(tài)，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2011)[8]第5.2.1條對基礎(chǔ)進(jìn)行校核，柱靴底部混凝土壓應(yīng)力最大值為1.8MPa，小于巖石抗壓強(qiáng)度2.0MPa，滿足規(guī)范要求，且壓力引起的摩擦力大于上部結(jié)構(gòu)傳來的剪力。

3.4 自鎖頭抗拔

自鎖頭拉力主要由六瓣自鎖頭張開后擠壓巖石產(chǎn)生的摩擦力抵抗，在自鎖頭上施加預(yù)應(yīng)力使自鎖頭張開擠壓巖石，受力示意如圖4所示。

圖4 六瓣自鎖頭受力示意Fig.4 The drawing of self-locking head

自鎖頭抗拔承載力計算公式:

式中:N為自鎖頭打開后巖石對其擠壓力；P為每孔鋼絞線最大拔力，SACS軟件計算值為1700kN；f為巖石承壓可以提供的最大摩擦力；μ為摩擦系數(shù)；Tmax為自鎖頭抗拔承載力。Tmax大于最大拔力1700kN，滿足《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS22—2005)[9]的要求。

3.5 灌漿承載力

雖然在理論計算中自鎖頭的膨脹力已能提供足夠的抗力，結(jié)構(gòu)仍宜采用灌漿措施來對錨固力加雙重保障。根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》(JTS 167-4—2012)，灌漿液對錨索基礎(chǔ)的抗拔力計算公式:

式中:L為灌漿深度；γd為分項系數(shù)，對硬質(zhì)巖、巖體不完整取較大值1.9；d為錨孔直徑(mm)；q′fk為水泥漿體與巖石間的粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)，取灌漿體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的10%和錨孔巖體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值兩者之較小值；Pdi為單孔錨桿抗拔力(kN)。

選用C65砂漿，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值35.5MPa，10%取3.55MPa，巖體抗剪強(qiáng)度為1.5MPa，錨孔直徑210mm，灌漿深度為13m，所以抗拔力為:

Pdi大于最大拔力1700kN，滿足《巖土錨桿(索)技術(shù)規(guī)程》(CECS22—2005)[9]的要求。

3.6 鋼絞線抗疲勞性能

根據(jù)《鐵路橋涵和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB1002.3—2005)[11]，1860MPa高強(qiáng)鋼絞線在200萬次下的疲勞應(yīng)力幅限值為140MPa，本結(jié)構(gòu)鋼絞線應(yīng)力變化幅度在64MPa，遠(yuǎn)低于鋼絞線的疲勞許用應(yīng)力幅值，說明鋼絞線抗疲勞性能好。

4 結(jié)語

自鎖頭-預(yù)應(yīng)力錨索基礎(chǔ)鉆孔難度小、可有效降低工程造價、縮短工期，且基礎(chǔ)安全性能高，抗疲勞性能好。本文結(jié)合工程實例，對其受力過程包括柱靴受壓受剪、自鎖頭抗拔、灌漿承載力、鋼絞線抗疲勞性能等進(jìn)行了詳細(xì)介紹，適用于深海復(fù)雜環(huán)境海洋平臺結(jié)構(gòu)。

本文環(huán)境參數(shù)等項目信息來自“東海多圈層塔基觀測平臺項目”,特此感謝“同濟(jì)大學(xué)國家海底科學(xué)觀測網(wǎng)”。