海上風(fēng)電樁基導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿段設(shè)計與應(yīng)用

胡雪揚(yáng)

(福建省水利水電勘測設(shè)計研究院，福建 福州 350001)

相較于其他固定基礎(chǔ)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)因其桁架式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，近年來成功應(yīng)用于多個海上風(fēng)電場[1-2]。灌漿連接段作為導(dǎo)管架與樁基唯一的傳力結(jié)構(gòu)，其安全性至關(guān)重要[3-4]。目前行業(yè)內(nèi)主要采用DNV規(guī)范[5]對灌漿連接段設(shè)計及校核，多位學(xué)者[6-7]也對規(guī)范中校核方法進(jìn)行了理論、模擬和試驗(yàn)方面復(fù)核，驗(yàn)證其可靠性，但國內(nèi)外對于灌漿連接段有限元模擬邊界條件處理存在多種方式，未形成統(tǒng)一方法，不同方法對結(jié)果影響較大。同時，受現(xiàn)有施工技術(shù)條件限制，深水海域灌漿連接段無法有效清淤，為避免樁內(nèi)泥土對灌漿體粘結(jié)強(qiáng)度影響，需將灌漿連接段設(shè)置在泥面以上，對于導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行不利。

本文結(jié)合福建某深海典型風(fēng)場建設(shè)環(huán)境、施工裝備水平及設(shè)計規(guī)范要求，分析現(xiàn)階段灌漿連接段在深海應(yīng)用的主要難點(diǎn)，并從有限元模擬及結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化等方向?qū)ζ溥M(jìn)行分析，以期為提高灌漿連接段安全性能和施工工效提供一定借鑒建議。

1 深水海域灌漿連接段主要應(yīng)用問題

1.1 深水風(fēng)場建設(shè)條件

場區(qū)離岸34～42 km，水深范圍為39～44 m。據(jù)現(xiàn)有資料，工程區(qū)50年一遇極端高水位H1%為17.53 m，底層(泥面處)設(shè)計流速為1.1 m/s，表層(海面處)設(shè)計流速為2.1 m/s。工程采用某風(fēng)機(jī)廠家抗臺型大容量風(fēng)機(jī)，塔筒底部彎矩為18 135 kN·m，水平剪力為2 116 kN，豎向力為7 969 kN。根據(jù)現(xiàn)有資料及實(shí)際施工情況，場區(qū)可施工窗口期僅有100 d左右。

1.2 深水導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿連接段設(shè)計施工關(guān)鍵問題

1.2.1 深水海域設(shè)計方案

現(xiàn)階段導(dǎo)管架基礎(chǔ)主要參照國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]和規(guī)范[5]設(shè)計。同時，考慮到灌漿體的粘結(jié)效果與管壁清潔度關(guān)系密切，在無法確定深水海域清淤效果前提下，為確保灌漿段不受樁內(nèi)泥土影響，需將其設(shè)置在泥面以上?；谏鲜鱿拗茥l件，場區(qū)導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿連接段布置方案如圖1所示。

1.2.2 面臨的主要問題

結(jié)合深水海域建設(shè)條件、設(shè)計規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有施工水平，灌漿連接段在結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要面臨以下問題：

1)邊界條件在有限元模擬中對計算精度影響。SACS軟件在導(dǎo)管架建模、荷載模擬以及結(jié)構(gòu)分析中優(yōu)勢明顯，但由于灌漿連接段結(jié)構(gòu)型式和傳力方式較為復(fù)雜，且灌漿體為非線性材料，因此SACS對于灌漿體的模擬精度較差。目前工程計算主要通過SACS整體模型獲取灌漿連接段受力情況，再通過有限元軟件建立局部模型進(jìn)行計算。在由整體分析轉(zhuǎn)到局部模擬時，邊界條件施加方式對于模擬精度影響明顯，從而直接影響灌漿段設(shè)計方案和安全性能?，F(xiàn)階段暫未有文獻(xiàn)詳細(xì)對比不同邊界條件模擬精確性。

2)深水施工能力限制引起的設(shè)計缺陷?？紤]到深水風(fēng)場樁內(nèi)清淤難度大、效果差的實(shí)際情況，為保證灌漿體和管壁的粘結(jié)質(zhì)量，灌漿連接段需設(shè)置泥面以上。相對于近海風(fēng)場，深水海域外荷載明顯增大，灌漿連接段構(gòu)造長度同步增加，鋼管樁需伸出泥面較長距離，考慮打樁引起的樁內(nèi)土塞，鋼管樁懸臂段可達(dá)到9～14 m，懸臂段過長將會直接影響灌漿段乃至導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全，同時導(dǎo)致總體用鋼量增加。此外，沉樁土塞高度無法有效評估，若土塞對灌漿段造成影響，需要進(jìn)行吸泥處理。當(dāng)水深達(dá)到40 m以上時，常規(guī)吸泥設(shè)備效率低、效果差，對結(jié)構(gòu)及施工造成極大影響。

2 邊界條件對有限元模擬精度影響分析

2.1 模型幾何尺寸及邊界條件

灌漿連接段的幾何尺寸如表1所示，材料的力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表1 灌漿連接段幾何尺寸 mm

表2 鋼材及灌漿體力學(xué)參數(shù)

有限元分析中邊界方式主要有三種：固定約束、位移和荷載。現(xiàn)階段工程應(yīng)用中主要采用的邊界施加方式為一端固定約束、一端施加力的荷載(方式一)，而從SACS整體模型轉(zhuǎn)向ABAQUS局部模型計算的方法類似于有限元子模型分析方法，子模型法主要采用兩端施加位移邊界條件(方式二)。本節(jié)分別基于上述兩種施加方式對靜力作用下灌漿連接段強(qiáng)度進(jìn)行分析，并同SACS整體模型結(jié)果對比，驗(yàn)證邊界條件施加對結(jié)果的影響。

基于第2節(jié)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計方案，建立SACS整體模型，如圖2所示，其中灌漿連接段用等效鋼管代替?；赟ACS整體模型提取灌漿連接段局部模型頂端的荷載和兩端位移邊界條件如表3和表4所示。

表3 方式一邊界荷載

表4 方式二邊界荷載

圖2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)SACS模型

在施加力與固定約束的邊界條件時，為避免圣維南原理對局部應(yīng)力的影響，對于邊界條件施加方式一上端加長處理，分別建立邊界條件施加方式一和方式二灌漿連接段有限元模型如圖3所示。

圖3 灌漿連接段有限元模型

2.2 邊界條件施加方式對結(jié)果影響分析

通過計算得到兩種邊界條件施加方式下灌漿體最小主應(yīng)力分別為-65 MPa和-46 MPa，如圖4所示。根據(jù)規(guī)范[5]中最小主應(yīng)力校核公式可得灌漿體允許應(yīng)力為64.2 MPa，因此采用方式一存在灌漿體局部位置應(yīng)力超限問題。同時，將灌漿連接段所有位置應(yīng)力進(jìn)行對比如表5所示。

圖4 不同邊界條件下灌漿體最小主應(yīng)力

表5 灌漿連接段應(yīng)力對比 MPa

通過對比可知當(dāng)采用一端固定約束、一端施加荷載邊界條件下，灌漿連接段區(qū)域整體應(yīng)力要大于兩端施加位移工況。基于SACS軟件計算得到的導(dǎo)管架基礎(chǔ)插入段在灌漿連接段區(qū)域應(yīng)力如圖5所示。由圖6可知基于SACS計算得到的插入段整體應(yīng)力水平較小，最大應(yīng)力為174 MPa。將不同軟件計算得到的主導(dǎo)管插入段Mises應(yīng)力最大值對比如表6所示，其中SACS結(jié)果和施加方式二結(jié)果接近，遠(yuǎn)小于施加方式一工況下應(yīng)力水平。SACS對于灌漿體模擬精度雖然較差，但不會影響基礎(chǔ)灌漿連接段結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，因此通過對比有限元局部模型與SACS整體模型計算結(jié)果，可知施加荷載及固定約束的方式可能會導(dǎo)致設(shè)計方案偏保守，采用兩側(cè)施加位移的邊界條件更為合理。

圖5 SACS模型中灌漿連接段插入段Mises應(yīng)力

表6 灌漿連接段插入段應(yīng)力對比

3 基于現(xiàn)有施工能力的局部優(yōu)化設(shè)計

深水海域灌漿連接段設(shè)計方案存在的諸多問題，主要受限于清淤施工技術(shù)能力。為有效降低樁內(nèi)泥土對灌漿連接段的設(shè)計阻礙，在確保灌漿連接段結(jié)構(gòu)安全的前提下，在主導(dǎo)管插入段下部導(dǎo)向段處設(shè)置多個導(dǎo)泥孔，并在主導(dǎo)管插入段下部設(shè)置密封圈，如圖6所示。通過設(shè)置導(dǎo)泥孔，將部分樁內(nèi)泥土導(dǎo)入主導(dǎo)管插入段內(nèi)，可有效降低樁內(nèi)土塞對灌漿連接段的影響。同時，密封圈也可在一定程度上將灌漿連接段與鋼管樁內(nèi)部分隔，并起到樁內(nèi)刮泥的效果。通過工程區(qū)導(dǎo)管架基礎(chǔ)實(shí)際施工效果來看，相較于未進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)，優(yōu)化后的方案可將土塞影響高度降低至0.5 m以內(nèi)，在避免土塞效應(yīng)影響的前提下，可進(jìn)一步將懸臂段長度縮短1～2 m。

圖6 灌漿連接段新型設(shè)計方案

4 結(jié) 語

導(dǎo)管架基礎(chǔ)在深水海域優(yōu)勢明顯，但受限于深水海域惡劣海況、施工技術(shù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足等因素，主流設(shè)計理念存在一定局限性。本文結(jié)合福建某深遠(yuǎn)海風(fēng)場建設(shè)環(huán)境，對現(xiàn)有灌漿連接段設(shè)計理念存在的問題進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

1)通過對比驗(yàn)證了位移邊界條件可有效提高灌漿連接段局部有限元計算精度，從而更加精確模擬其受力狀態(tài)。

2)設(shè)置導(dǎo)泥孔、密封圈等方案可有效降低土塞效應(yīng)對灌漿連接段的影響，從而提高結(jié)構(gòu)安全性、降低施工難度和風(fēng)險。

3)進(jìn)一步地，通過提高樁內(nèi)清淤設(shè)備能力、改進(jìn)樁內(nèi)清淤施工手段、優(yōu)化灌漿段構(gòu)造等方式實(shí)現(xiàn)灌漿連接段設(shè)置在泥面以下的技術(shù)方案。