導管架基礎灌漿粘結力試驗研究

孫洋波，陳大明

（上海港灣工程質量檢測有限公司，上海 201315）

導管架基礎灌漿粘結力試驗研究

孫洋波，陳大明

（上海港灣工程質量檢測有限公司，上海 201315）

導管架作為一種重量輕、海床地質條件適應性好、穩定性好、適合較深海域的海上風電基礎，風電機組、波浪和洋流等載荷主要通過導管架結構經混凝土傳遞至鋼管樁，鋼管樁再把載荷傳遞到海床。而鋼管樁與導管架的連接方式常采用灌漿連接來代替焊接和栓接，灌漿質量直接影響到導管架的整體穩定性能和安全性，現場試驗采用檢測內、外鋼管之間灌漿粘結力連接效果是最直觀有效的方法。文中介紹了珠海桂山海上風電機組基礎導管架灌漿粘結力的原位試驗，試驗結果表明導管架灌漿連接結構抗拉極限承載能力不小于19 200 kN。本次灌漿粘結承載力原位試驗對于該工程導管架灌漿施工提供了數據支持，彌補了國內類似的導管架基礎灌漿連接效果檢測的空白。

海上風機；導管架基礎；灌漿；粘結承載力

近年風電行業得到迅猛發展，特別是海上風電場具有不占用土地資源、發電效率高、不污染環境等優點，已成為未來重要的能源產業發展方向之一。發電成本是制約風電發展的主要瓶頸，海上風電風機基礎建設成本在海洋風電造價中占有較大的比重，約占整個工程建設成本的20%～30%[1-2]。導管架作為一種重量輕、海床地質條件適應性好、穩定性好、適合較深海域的海上風電基礎，在歐洲海上風電場得到了廣泛應用。風電機組、波浪和洋流等載荷主要通過導管架結構經混凝土傳遞至鋼管樁，鋼管樁再把載荷傳遞到海床。鋼管樁與導管架的連接方式常采用灌漿連接來代替焊接和栓接，灌漿連接具有良好的結構性能，以及施工便利、造價低廉等優點，灌漿質量直接影響到導管架的整體穩定性能和安全性[3-5]。國內的海上風電開發尚處于起步階段，相關經驗較為匱乏，針對灌漿連接段開展的研究相對較少，有關內、外鋼管之間灌漿粘結力連接效果的試驗為空白。

1 試驗概況

珠海桂山海上風電機組基礎由4條腿支撐，支腿間有加強斜撐連接，支腿上部設置平臺。基礎結構安裝方法是先在海底打4根樁（樁頭在泥面以上），然后通過拖輪將在船廠制造完成的外挑平臺式基礎運輸至指定位置，通過自升式平臺等安裝船舶對基礎結構進行吊裝，將外挑平臺式基礎支腿插入樁中。然后在平臺甲板上通過灌漿導管向鋼樁與基礎支腿間灌漿，確保基礎支腿與鋼樁穩固連接。

為了模擬海上工況條件下灌漿工藝，并測試內、外鋼管之間灌漿粘結力連接效果，設計并制作了高4 m的鋼樁和高3.2 m導管架模型，模型比例為1∶1，圖1為導管架基礎模型示意圖。導管架模型腿柱上設置上下2套灌漿管線并預制在導管架腿柱內部，剪切鍵按導管架腿柱實際結構預制，導管架底部標高與鋼樁底部標高一致，兩者均布置在同一水平鋼板上，然后整體通過電焊或螺栓連接形成與實際工況相同的環形空間，連接處采用橡膠條密封。再制作鋼結構架，每個鋼架上設置1～2環空模具，然后將鋼架固定在碼頭邊，并確保其水位與實際工況基本相當。灌漿試驗作業時，將制作好導管架模型放入海水中，所有操作均在船上完成。本次試驗采用的灌漿料為中交上海三航科學研究院有限公司自主研發的UHPG灌漿料，灌漿采取水下灌漿方式。灌漿作業結束3 d后，將導管架模型運上岸，待灌漿料達到28 d齡期后進行相關結構試驗和性能檢測。

圖1 導管架模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of jacket model

2 試驗方法

根據千斤頂的規格和加載條件，導管架模型運上岸后在導管架模型的頂部周邊設置了頂帽和連接肋板，以便測試注漿后鋼管與注漿之間的粘黏結力。

1）加載系統：根據本次結構性能試驗最大加載量，加載設備由8臺3 200 kN的千斤頂、70 MPa高壓油泵及相應油路系統及經標定的精密油壓表組成。試驗荷載由RS-JYC樁基靜載測試儀控制，并由精密度為0.4級油壓表進行校核。8臺千斤頂均勻布置在內鋼管頂，見圖2，千斤頂安裝完畢后見圖3。

圖2 千斤頂布置圖Fig.2 Jack arrangement

圖3 千斤頂安裝完畢后現場圖Fig.3 The site map after the com p letion of jack

2）量測系統：本次結構性能試驗量測系統采用經標定的武漢巖海工程技術有限公司生產的RS-JYC樁基靜載荷測試儀器。

一般情況下結構性能試驗位移量測的基準系統為1個獨立的系統。考慮到本次試驗對于整個導管架模型結構體來講均為內力，同時考慮本次試驗的目的，將位移傳感器用磁性表座固定在外管頂部來測試內管的位移，見圖4位移傳感器安裝圖。數據采集采用全自動測試系統，該系統中預先設置的試驗程序可自動完成試驗數據的采集、存儲、計算、判斷和打印等工作，自動繪出相關曲線供測試人員現場判別。

3）加載方式：本次試驗參照GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》附錄M巖石錨桿抗拔試驗要點分級加載，荷載分級為8級，最大加載量為16 000 kN。每級荷載施加后，立即測讀位移量，以后每間隔5 min測讀1次位移，連續4次測讀出的位移值均<0.01 mm時，認為該級荷載下的位移已達到穩定狀態，可繼續施加下一級荷載[6]。

圖4 位移傳感器Fig.4 Disp lacem ent transducer

4）終止加載條件及極限承載力判定：當出現下列情況之一時，即可終止試驗：

①測讀的位移值持續增長，且在1 h內未出現穩定的跡象。

②新增加的荷載無法施加，或者施加后無法保持荷載穩定。

③內、外鋼管之間已出現明顯位移。

符合上述終止條件的前一級荷載，即為結構的極限荷載。

試驗結束后，對試驗現場的破壞情況進行詳盡描述并拍攝照片。

3 試驗結果

本次試驗的荷載分級為8級（初定最大加載量為16 000 kN），首次加載以2倍荷載（即4 000 kN）開始，加載至第8級（即16 000 kN）時，導管架結構未發生破壞，且內、外壁相對位移增量無明顯突變，第8級荷載持荷時間內，內、外鋼管之間相對位移穩定。為進一步了解導管架結構的抗拉性能，按原定荷載分級方式繼續加載，加載過程結構也未發生較大響聲，加載至19 200 kN時，考慮到導管架結構的整體安全停止繼續加載，在持荷時間內結構未發生破壞且內、外壁相對位移增量無明顯突變。試驗過程中每級荷載下的內、外鋼管相對位移見表1，分級加載過程中內、外鋼管荷載-相對位移曲線見圖5。根據加載情況及內、外鋼管之間相對位移的測試結果，綜合判定該導管架結構抗拉極限承載力≥19 200 kN。

表1 內外管相對位移數值統計表Tab le 1 Numerical table of relative displacement of inner and outer tubes

圖5 內外鋼管荷載-相對位移曲線Fig.5 Load relative displacement curve of inner and outer steel tubes

4 結語

1）本次灌漿粘結承載力原位試驗取得了滿意的成果，為桂山風電工程進行實際風機導管架灌漿施工提供了數據支持，彌補了國內類似的導管架基礎灌漿連接效果檢測的空白。

2）本次試驗所設計的反力裝置、加載裝置（并聯千斤頂、油泵）、數據采集儀系統（測控主機、傳感器、油泵控制器）、試驗所采用的加載方式和終止加載條件等是先進、可靠、安全的，為類似的導管架基礎灌漿連接效果試驗積累了寶貴的經驗。

3）采用上海三航科研院UHPG灌漿料灌注的導管架灌漿連接結構的抗拉極限承載能力≥19 200 kN。

[1] SNYDER B,KAISER M J.Ecological and economic cost-benefit analysis ofoffshore wind energy[J].Renewable Energy,2009,34(6): 1 567-1 578.

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[3]朱榮華，李少清，張美陽.珠海桂山200 MW海上示范風場風電機組導管架基礎方案設計[J].風能，2013（9）：94-98. ZHU Rong-hua,LIShao-qing,ZHANG Mei-yang.Jacket foundation design for 200 MW offshore demonstration wind farm projectof Zhuhai Guishan[J].Wind Energy,2013(9):94-98.

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[5]仲偉秋，麻曄，楊禮東，等.海上風電樁基礎與導管架灌漿連接段的ANSYS分析[J].沈陽建筑大學學報：自然科學版，2012，28（4）：663-669. ZHONG Wei-qiu,MA Ye,YANG Li-dong,et al.The analysis of grouted connection between pile foundation and jacket for offshore wind turbine by ANSYS[J].Journalof Shenyang Jianzhu University: Natural Science,2012,28(4):663-669.

[6]GB 50007—2011，建筑地基基礎設計規范[S]. GB 50007—2011,Code fordesign ofbuilding foundation[S].

Experimental study on grouting bond strength of jacket foundation

SUN Yang-bo,CHEN Da-ming
（ShanghaiHarbor Quality Control&Testing Co.,Ltd.,Shanghai 201315,China）

Jacketas a lightweight,good adaptability to the seabed geological conditions,good stability,is suitable for the deep waters offshore wind turbine foundation and wind turbine.wind turbine generator,wave and ocean current load mainly through the jacket structure by concrete transfer to the pipe pile,steel pipe pile to load transfer to the sea bed.The connection between steel pipe pile and jacket usually used grounding to replace welding and bolting,grouting quality directly affect the stable performance and safety of the overall jacket,in-situ test used the method for detecting the connection effect ofgrouting bonding strength between inner and outer steel pipe,which is the most direct and effective method.The in-situ test on grouting bond strength of jacket foundation in Zhuhai Guishan offshore wind turbine is introduced in this paper.The experimental results show that the ultimate tensile bearing capacity of the jacketgrouting connection structure is not less than 19 200 kN.The in-situ test on grouting bond strength provides the data support for the jacket grouting construction,and makes up the blank of the test of the grouting connection effectof the similar jacket foundation in China.

offshore wind turbine;jacket foundation;grouting;bond bearing capacity

U656.6；TU473.1

A

2095-7874（2016）11-0042-04

10.7640/zggw js201611010

2016-05-07

2016-07-12

孫洋波（1978— ），男，陜西合陽人，碩士，高級工程師，主要從事水工結構試驗檢測工程。E-mail：yangbosun@126.com