海上自立式測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)連接節(jié)點(diǎn)分析

王子俊 方孝伍 張強(qiáng)林

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院發(fā)電公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的安全壓力和環(huán)保要求日益增大，我國(guó)大力鼓勵(lì)支持發(fā)展可再生能源，海上風(fēng)電高速發(fā)展，而開發(fā)海上風(fēng)電首要的問(wèn)題就是對(duì)風(fēng)能資源的觀測(cè)工作，建立海上測(cè)風(fēng)塔是觀測(cè)的必要前提。

海上測(cè)風(fēng)塔形式多種多樣，目前國(guó)內(nèi)最常見的基礎(chǔ)形式是先打樁，而后在水上焊接支撐安裝平臺(tái)，這種方式存在的最大問(wèn)題是水上焊接的施工質(zhì)量很難保證，而對(duì)于水深淺，風(fēng)浪小的地區(qū)尚可，對(duì)水深大，風(fēng)浪大的地區(qū)，可采用同風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一樣的導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式。在打入樁后，整體吊裝導(dǎo)管架平臺(tái)，將平臺(tái)腿桿插入鋼管樁內(nèi)，再進(jìn)行灌漿連接，或是用抱箍連接的方式代替原來(lái)的焊接方式，形成支撐平臺(tái)。這兩種形式對(duì)于惡劣的海況條件來(lái)說(shuō)，可一定程度上減少水上焊接的工作量。但這兩種方式關(guān)鍵的問(wèn)題是灌漿連接節(jié)點(diǎn)或抱箍連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，此連接節(jié)點(diǎn)往往是設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在一些國(guó)外工程中，在此節(jié)點(diǎn)也出現(xiàn)過(guò)工程問(wèn)題，并導(dǎo)致規(guī)范做出了相應(yīng)的調(diào)整。本文將結(jié)合實(shí)際工程，就這兩種節(jié)點(diǎn)形式予以計(jì)算對(duì)比分析。

1 工程概況及整體分析

此測(cè)風(fēng)塔建設(shè)工程是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的前期工程，位于福建省臺(tái)灣海峽海域，塔高100m，原狀泥面水深約28m。上部塔架采用三腿鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，下部基礎(chǔ)采用三樁導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。將預(yù)先加工好的鋼桁架平臺(tái)通過(guò)灌漿連接或抱箍連接的方式同打入海底的3根鋼管樁有效連接，形成荷載傳遞。采用大型海工有限元軟件SCAS建模分析 ，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)整體模型

導(dǎo)管架腿與鋼管樁連接的灌漿段長(zhǎng)度為3.5m，鋼管樁直徑1.8m，灌漿段鋼管壁厚40mm；導(dǎo)管架主腿直徑1.6m，灌漿段鋼管壁厚35mm，鋼材為Q345B，灌漿料采用高強(qiáng)灌漿料；導(dǎo)管架灌漿連接示意圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)管架灌漿連接示意圖

經(jīng)SCAS整體建模計(jì)算分析，考慮上部塔架所受風(fēng)荷載及基礎(chǔ)所受風(fēng)浪流荷載的灌漿節(jié)點(diǎn)內(nèi)力如表1所示。

表1 灌漿節(jié)點(diǎn)內(nèi)力表

由此可見，測(cè)風(fēng)塔導(dǎo)管架平臺(tái)與樁腿之間的灌漿節(jié)點(diǎn)主要受力形式為拉彎或壓彎，承受軸向力與彎矩為主，灌漿類型屬于設(shè)置剪力鍵的先打樁式導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿連接。

沿鋼管樁軸向方向的軸力主要由剪力鍵來(lái)承擔(dān)，彎矩由灌漿體及鋼管樁共同承擔(dān)。

2 灌漿連接設(shè)計(jì)

挪威船級(jí)社(DNV)在與德國(guó)勞氏船級(jí)社(GL)合并后，推出DNVGL-ST-0126-2016[1]，該規(guī)范吸收了DNV和GL的最新成果，對(duì)灌漿連接的設(shè)計(jì)驗(yàn)算做了大量的更新和補(bǔ)充，在國(guó)內(nèi)暫無(wú)明確相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范的背景下，此規(guī)范具有很大的參考意義。

擬定設(shè)計(jì)參數(shù)：S=300mm,w=25mm,h=12.5mm,L=3500mm,Rp=900mm,tp=40mm,RJL=800mm,tJL=35mm，如圖3所示。

圖3 灌漿連接處尺寸圖

其中，設(shè)置剪力鍵灌漿材料的抗剪能力標(biāo)準(zhǔn)值為：

經(jīng)計(jì)算，得：

徑向剛度系數(shù)k=0.01 163

fbk=1.842MPa

注意，規(guī)范規(guī)定剪力鍵灌漿材料的抗剪能力不能超過(guò)灌漿材料所允許的抗剪強(qiáng)度f(wàn)bk2：

有，fbk2=2.82 654MPa>1.842MPa

剪力鍵單位長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)承載力Fvshkcap,d:

而導(dǎo)管架腿與樁基的單個(gè)剪力鍵沿圓周單位長(zhǎng)度所受荷載分別為：

兩者均小于Fvshkcap,d，灌漿體雙側(cè)剪力鍵強(qiáng)度均滿足要求。

其中，規(guī)范中對(duì)n給出的注釋為有效剪力鍵個(gè)數(shù)，經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算對(duì)比以及有限元模擬發(fā)現(xiàn)，“有效”的核心含義是內(nèi)外側(cè)形成的剪力鍵對(duì)間的漿體形成了受壓短柱。

鋼管樁的彈性長(zhǎng)度le及支撐彈簧剛度krD如下：

其中，krD=16 004.6MPa，le=13.4mm，則有，設(shè)計(jì)彎矩和水平剪力引起的灌漿料底部接觸壓力為：

其中,從SCAS中提取：M=11507.3kN·m;Q=308.1kN，則有，Pnom,d=1.4883MPa.<1.5MPa，滿足接觸壓力要求；

構(gòu)造要求如下：

h=12.5mm≥5mm，1.5≤w/h=2.0≤3.0,h/s=0.04 167≤0.10，h/D=0.0016≤0.012,滿足要求；

10≤Dg/tg=28.67≤45,10≤Rp/tp=22.5≤30,15≤RJL/tJL=22.86≤70,均滿足構(gòu)造要求；

Lg=3380mm，Lg/Dp=1.878,Lg/Djl=2.113,均滿足構(gòu)造要求。

規(guī)范中建議若Lg/Dx<2.5，可按單樁方法校核灌漿長(zhǎng)度，考慮到導(dǎo)管架方法其實(shí)并未考慮到彎矩對(duì)剪力鍵的影響，且有效灌漿長(zhǎng)度Lg并未直接參與計(jì)算，故用單樁灌漿節(jié)點(diǎn)算法進(jìn)行復(fù)核：

剪力鍵周圍的灌漿連接單位長(zhǎng)度的有效彈性剛度Keff=4702.917；

彎矩引起的接觸壓力pnom=1.299MPa<1.5MPa，滿足要求。

由彎矩和豎向力傳遞到剪力鍵沿各單位圓周長(zhǎng)度的作用力：

單個(gè)剪力鍵的作用力則為：2893/11=263.01kN。

故Fvshk,d

以上分析均是基于規(guī)范的公式，其實(shí)是一種工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，對(duì)于灌漿段的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)，只有通過(guò)有限元建模分析得到。

分析過(guò)程中，接觸單元的選擇、剛度的取值以及單元網(wǎng)格的劃分是計(jì)算結(jié)構(gòu)收斂的關(guān)鍵所在，有許多學(xué)者做了相關(guān)的研究[2]，本文不再贅述。

3 抱箍連接設(shè)計(jì)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

鋼管樁直徑為1800mm打入海底，平臺(tái)結(jié)構(gòu)所有的支撐焊接在直徑為1840mm，厚度為20mm的抱箍上，抱箍有兩部分半圓組成，抱箍間使用螺栓連接。鋼材采用Q345B，螺栓采用M30X160高強(qiáng)螺栓，抱箍連接示意圖如圖4所示。

圖4 抱箍連接節(jié)點(diǎn)示意圖

由SCAS建模分析得出，此節(jié)點(diǎn)的最大拉力為：1234.2kN(包括鋼構(gòu)件自重的反力)，單個(gè)10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓M30的容許拉力為583kN。一組螺栓能提供的抗力為：6996kN>1234.2kN，滿足強(qiáng)度要求；需要注意的是，由于施工誤差的不可避免性，此處會(huì)產(chǎn)生一定的初始應(yīng)力，在對(duì)螺栓進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮此部分的安全余量。

其實(shí)，不管是灌漿形式，還是抱箍形式，各有其優(yōu)勢(shì)，又各有其不足，二者優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 不同連接形式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比[3]

另外，針對(duì)抱箍連接方式對(duì)于施工安裝精度要求較高的缺陷，總結(jié)之前的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。可以采用取消斜撐，增加水平撐的數(shù)量來(lái)彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)的整體剛度的改進(jìn)形式，這種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的連接方式將會(huì)更加便于施工和安裝，但考慮到水平撐相較于斜撐對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的吸收作用較弱，需要重點(diǎn)考慮節(jié)點(diǎn)的沖剪強(qiáng)度校核，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，此類形式只適用于水深較淺的情況。

經(jīng)過(guò)綜合考慮，該工程最終采用了抱箍連接的方式進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

(1)海上測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)整體靜強(qiáng)度計(jì)算多為抗拔控制，由于構(gòu)件尺寸的增大或構(gòu)件數(shù)量的增加將會(huì)導(dǎo)致波浪力也相應(yīng)有所增大，因此測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)并非主體構(gòu)件越大、支撐構(gòu)件越多，基礎(chǔ)安全度就越高，需要合理的考慮和布置支撐構(gòu)件。

(2)灌漿連接應(yīng)充分考慮到剪力鍵和灌漿料的強(qiáng)度要求以及結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)較為明確的設(shè)計(jì)規(guī)范，主要參考DNVGL-ST-0126-2016規(guī)范作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

(3)灌漿節(jié)點(diǎn)連接和抱箍連接各有優(yōu)劣，工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體工程的海洋水文及地質(zhì)條件，結(jié)合兩種連接方式各自的優(yōu)缺點(diǎn)，選取適宜的連接方式。

參考文獻(xiàn)

[1] DNVGL-ST-0126-2016 Support structures for wind turbines[S]. DNVGL-ST-0126-2016.

[2] 武江, 張略秋，劉福來(lái). 某海上測(cè)風(fēng)塔灌漿連接設(shè)計(jì) [J]. 山西建筑，2013，39(35)：49-50.

[3] 黃立維,邢占清，張金接. 海上測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)與承臺(tái)灌漿連接技術(shù) [J]. 水利水電技術(shù)，2009，40(9)：85-87.