鋼管混凝土組合樁在海上風電基礎中的應用

孫建軍，韓亮，李云龍

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

鋼管混凝土組合樁在海上風電基礎中的應用

孫建軍，韓亮，李云龍

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

文章借鑒鋼管混凝土構件受力特性優良的特點，作為一種新型復合樁基結構推廣應用于風機基礎結構中。有限元計算結果表明：組合樁基礎具有樁基受力分布均勻，單樁受力小，結構變形小，結構自振頻率易調節等優點，能夠更好地適用于風機設備的循環疲勞荷載，是一種經濟可行的結構方案。

海上風電；風機基礎；鋼管混凝土；結構分析

0 引言

國內外風機基礎結構形式有很多種，包括導管架基礎、高樁墩臺基礎、低樁承臺基礎、單樁基礎、重力式基礎及漂浮型基礎等[1-2]，不同的基礎結構適用于不同的工程條件。由于受工程投資、施工技術等因素限制，國內90%以上的海上風電工程都分布在近海灘涂區及淺水區。對于近海灘涂區及淺水區，風機基礎主要以高樁墩臺基礎、導管架基礎和單樁基礎為主，因地制宜的采用低樁承臺基礎和重力式基礎。

對于近海區域樁基形式的風機基礎，目前采用的樁基主要以鋼管樁、PHC樁和灌注樁為主。本文提到的鋼管混凝土組合樁指的是考慮鋼護筒與鋼筋混凝土樁聯合受力的樁基結構，它的受力特性與鋼管混凝土構件有很多共同點[3]。目前鋼管混凝土構件主要應用在建筑工程、橋梁工程和內河大水位差樁基碼頭工程中[4-5]，在風機基礎工程中尚未有應用案例。

1 工程概述

該工程位于天津港地區某防波堤外側，由于受邊界條件的限制，風機點位須沿堤布置，且不得超出防波堤外側坡腳線，風機基礎坐落于防波堤外側坡面上。風機基礎選型必須充分考慮基礎結構對已建防波堤的影響，經過綜合比較，最終選用低樁承臺基礎結構形式作為推薦方案。結構斷面見圖1。

工程位置泥面高程-1.0~-2.0 m，為典型的軟土地基，地質條件及設計波浪資料見表1、表2。

圖1 風機基礎結構斷面圖（單位：m）Fig.1 Structural cross section of support structure（m）

表1 土層物理力學指標Table 1 Physical and mechanical index of soil layer

表2 設計波浪要素Table 2 Design wave parameter

由于所在區域缺乏實測資料，對于海冰的設計參數可按JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》相關規定采用。本工程設計冰厚采用塘沽地區的50 a一遇設計冰厚0.395 m，海冰單軸抗壓強度標準值為2.03 MPa。

本工程設計高水位為4.30 m，極端高水位為5.88 m。根據基礎頂面不上水的要求，風機基礎頂面高程最低為8.0 m。風機基礎臨海側承受波浪、海流及海冰的直接作用。

2 樁基選型

對于陸上風機和潮間帶風機，由于裝機容量相對較小，風機設備荷載也相對較小，風機基礎多采用重力式基礎或低樁承臺基礎。低樁承臺基礎采用的樁基主要是灌注樁或PHC樁，基礎承臺一般埋設在地面以下，承臺頂面以上大多有一定厚度的覆土，故樁基受力條件相對較好。對于離岸式海上風機，風機基礎多采用鋼管樁承臺基礎或導管架基礎，由于樁基受土體約束條件相對較差，且樁身受波浪、水流及冰荷載的直接作用，故樁基多為大直徑鋼管樁，且入土深度相對較深。

2.1 鋼管樁

鋼管樁是海上風電基礎采用的主要樁型，優點是抗彎能力強、承載力高、耐錘擊、貫穿能力強，且施工速度快、施工經驗成熟、應用較為廣泛。在海上風電項目中，風機基礎多采用大直徑鋼管樁承臺或導管架基礎。由于本工程風機基礎依托于已建防波堤堤身結構，風機基礎部分結構埋在堤身之內，樁基基本處于無懸臂狀態。這與國內已建的大多數海上風機基礎有較大區別，樁基的受力條件相對較好，故本工程風機基礎摒棄傳統大直徑鋼管樁方案，改用常規直徑鋼管樁。

設計方案采用13根φ1 400鋼管樁，基礎中心布置1根，其余12根在墩臺底部沿直徑11 m的圓均勻布置，樁底高程-60 m。為了提高結構的水平剛度，除中心樁為直樁外，其余樁均采用斜度為4∶1的斜樁，樁頂深入承臺內1.5 m，自樁頂往下15 m采用C35混凝土灌芯。經有限元軟件計算，本基礎結構設計方案承載能力、最大變位等均能滿足規范要求，方案可行。

但由于鋼管樁打樁船作業對水深有一定要求，本工程風機基礎位于防波堤外側坡面上，為了能滿足大型打樁船作業要求，需要在堤身外側局部范圍內開挖水上施工通道。打樁作業完成后，為了保證堤身的安全穩定，還需將開挖部分進行回填處理，故采用鋼管樁方案需要投入較大的施工措施費用。另外，鋼管樁基礎自身造價與其他形式基礎相比也沒有明顯優勢，所以在本工程中采用鋼管樁方案，工程造價相對較高。

2.2 灌注樁

灌注樁低樁承臺基礎一般應用于陸上和潮間帶風電基礎，承臺埋設在泥面以下，基礎頂部有一定厚度覆土。本工程中風機位于斜坡堤外側坡面，風機基礎部分外露在堤身之外，受波浪、水流及冰荷載直接作用，故本工程基礎承臺中灌注樁的樁身受力比普通低樁承臺樁基受力大很多。本工程設計方案采用C45 F300鋼筋混凝土結構，基礎頂高程8.0 m，承臺總高度5.5 m，承臺底面直徑25 m，承臺底下打設22根φ1 400 mm灌注樁，分兩圈布置，外圈沿直徑22 m圓均勻布置16根樁，內圈沿直徑10 m圓均勻布置6根樁，樁底高程均為-55 m。經計算，由于樁基均為直樁，承臺抵抗水平力作用比較差，灌注樁樁身所受彎矩很大，且處于“拉彎”受力狀態，故樁身截面需要較大的配筋率，才能滿足設計要求。

2.3 PHC樁

風機基礎要承受較大的冰荷載和波浪力，與風機荷載組合后，對樁身產生較大的不利作用。經計算，在極端工況下樁基所受彎矩較大，超出國內PHC樁抗裂容許彎矩，故不考慮采用PHC樁。

2.4 鋼管混凝土組合樁

鋼管混凝土構件在受力特性上明顯優于同尺度的鋼筋混凝土構件，但其弱點是：構件的連接節點處較為薄弱。鋼管樁的抗彎承載力要比同尺度的混凝土灌注樁大很多，但鋼管混凝土構件的抗彎性能要明顯優于同尺度的空心鋼管。若將鋼管混凝土構件作為承臺的樁基結構，就能在很好地克服其弱點的同時，充分發揮其結構特性。

根據鋼管樁基礎和灌注樁基礎的計算結果，發現樁身彎矩設計值很大，且樁基處于“拉彎”受力狀態，此種受力狀態下，對樁基的抗彎要求最高，為了滿足設計要求，鋼管樁基礎一般需要增大樁徑或者增加壁厚，灌注樁基礎一般需要增大直徑或設置較大的截面配筋率。但計算結果也表明，基礎承臺樁基結構只有在樁頂處彎矩較大，隨著樁基入土深度的增加，土體對樁基的約束作用增強，樁身彎矩隨深度增加迅速衰減，在承臺底面以下10 m左右，樁身彎矩已衰減至最大值的40%。另外，計算結果還表明隨著承臺樁數的增多，樁基受力分布更加均勻，單樁最大壓樁力和拉樁力都有所減小。根據研究所得的樁基受力特點，結合鋼管混凝土的結構特性，推出以下鋼管混凝土組合樁基礎方案。

風機基礎承臺采用C45 F300鋼筋混凝土結構，基礎頂高程8.0 m，承臺總高度為5.5 m，墩臺底面直徑為23 m，承臺底下打設28根φ1 200 mm鋼管混凝土組合樁，分兩圈布置，外圈沿直徑20 m圓均勻布置20根樁，內圈沿直徑9 m圓均勻布置8根樁，樁頂深入承臺1.2 m，樁身自樁頂向下12 m為鋼管段，樁底高程-50 m。組合樁鋼管采用φ1 200 mm鋼管樁，材質選用Q345b型，樁身設計壁厚t=20 mm，計算厚度取t=16 mm。樁身外側涂防腐涂層，并做犧牲陽極保護。

組合樁方案的設計理念是減小灌注樁樁徑，增加樁基數目，使承臺下樁基受力分布更為均勻，從而可以適當減小樁長，節省灌注樁工程量。但由于減小了樁徑，樁身抗彎能力不足，所以需要在樁頭處設置鋼管段，提高樁身局部位置處的截面抗彎性能。組合樁方案中樁基的抗壓和抗拔承載力還是由灌注樁的樁長決定，受彎作用明顯的樁頭處的抗彎承載力是由鋼管混凝土構件承受，彌補了灌注樁抗彎性能相對較弱的劣勢。組合樁中鋼管段的長度，可根據計算結果適當調整。關于鋼管混凝土構件的抗彎承載力計算，目前國內相關規范[6]已有明確規定，本文不再贅述。

對組合樁基礎進行有限元建模計算，結果表明：在極端工況條件下，基礎最大位移約為8 mm，基礎頂最大轉角約為1.1/1 000弧度，均滿足現行規范及行業標準要求。有限元計算結果見圖2。

圖2 樁身X向彎矩分布圖（單位：N/m）Fig.2 X-directionbending momentdistributionofpile(N/m)

從圖2中可以看出，樁身彎矩最大值都集中在樁頭3 m左右，隨著樁基入土深度的增加，樁身彎矩迅速衰減。另外，通過對不同地基條件下風機基礎受力計算，發現樁身彎矩衰減速率與土體m值有關，當土體為軟弱土層時，m值較小，樁身受土體約束作用相對較弱，樁身彎矩衰減效應變緩；當土體物理力學指標較好時，m值較大，樁身受土體約束作用明顯，樁身彎矩衰減效應更明顯。所以，對于泥面以下軟弱土層很厚的工況，應適當增長組合樁中鋼管段的長度。

3 方案對比與結果分析

有限元計算結果表明：鋼管樁基礎、灌注樁基礎和鋼管混凝土組合樁基礎均能夠滿足設計要求。由于本工程特殊的工程位置，鋼管樁打樁作業需要較高的工程措施費用，導致鋼管樁方案工程造價較高。灌注樁基礎與鋼管混凝土樁基礎工程造價相當，鋼管混凝土組合樁方案略低。從計算結果來看，鋼管混凝土組合樁樁徑小但剛度大，樁基受力分布更為均勻，單樁所受壓樁力和拉樁力都相對較小，在極限荷載的不利組合工況，基礎結構變形小。此外，基礎結構的自振頻率可根據鋼管的壁厚和長度進行調節，能夠更好地適應風機設備的循環疲勞荷載。所以，對于風機基礎坐落于防波堤外側坡面處這種特殊工況，采用鋼管混凝土組合樁是一種較為合理可行的技術方案。

4 結語

本工程采用的鋼管混凝土組合樁，借鑒了鋼管混凝土構件的受力特性和結構計算方法，將其拓展應用于樁基結構中，形成一種復合樁基結構。鋼管混凝土組合樁將鋼管結構布設在樁身受彎截面處，充分發揮鋼管的抗彎性能。樁頂深入鋼筋混凝土承臺內1倍樁徑，通過連接鋼板與承臺內鋼筋焊接，形成固接，克服了以往鋼管混凝土構件相接節點薄弱的弊端。鋼管混凝土組合樁揚長避短，充分發揮了鋼管混凝土結構的優良特性。

鑒于本工程中風機基礎布置的特殊性，目前在國內類似的工程案例相對較少，但隨著海上風電行業的興起和海洋岸線資源的日益短缺，未來可能會有較多的類似工程項目，本工程的設計方案可為類似的灘涂區海上風電項目提供參考。

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[6]DL/T 5085—1999，鋼-混凝土組合結構設計規程[S]. DL/T 5085—1999,Code for design of steel-concrete composite structure[S].

Application of concrete-filled steel tube pile in offshore wind support structures

SUN Jian-jun,HAN Liang,LI Yun-long
（CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

The concrete-filled steel tube pile is widely applied to the wind support structures as a new composite pile foundation structure with excellent mechanical properties.The finite-element method calculation results show that the support structures with concrete-filled steel piles can distribute the force of piles shapely,with little strain of structure,and the natural frequency of structure can be adjusted easily.So it is an economy and feasible program for the circular loads of offshore wind generation.

offshore wind generation;support structure;concrete-filled steel tubes;structure analysis

U655.544

A

2095-7874（2016）12-0050-04

10.7640/zggwjs201612010

2016-07-15

2016-09-11

孫建軍（1985— ），男，山東平度人，碩士，工程師，港口海岸及近海工程專業，主要從事水工結構設計工作。E-mail：snjnjn@163.com