海上風電樁基導管架基礎灌漿段設計與應用

胡雪揚

(福建省水利水電勘測設計研究院，福建 福州 350001)

相較于其他固定基礎，導管架基礎因其桁架式結構優勢明顯，近年來成功應用于多個海上風電場[1-2]。灌漿連接段作為導管架與樁基唯一的傳力結構，其安全性至關重要[3-4]。目前行業內主要采用DNV規范[5]對灌漿連接段設計及校核，多位學者[6-7]也對規范中校核方法進行了理論、模擬和試驗方面復核，驗證其可靠性，但國內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，未形成統一方法，不同方法對結果影響較大。同時，受現有施工技術條件限制，深水海域灌漿連接段無法有效清淤，為避免樁內泥土對灌漿體粘結強度影響，需將灌漿連接段設置在泥面以上，對于導管架基礎結構安全運行不利。

本文結合福建某深海典型風場建設環境、施工裝備水平及設計規范要求，分析現階段灌漿連接段在深海應用的主要難點，并從有限元模擬及結構方案優化等方向對其進行分析，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用問題

1.1 深水風場建設條件

場區離岸34～42 km，水深范圍為39～44 m。據現有資料，工程區50年一遇極端高水位H1%為17.53 m，底層(泥面處)設計流速為1.1 m/s，表層(海面處)設計流速為2.1 m/s。工程采用某風機廠家抗臺型大容量風機，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。根據現有資料及實際施工情況，場區可施工窗口期僅有100 d左右。

1.2 深水導管架基礎灌漿連接段設計施工關鍵問題

1.2.1 深水海域設計方案

現階段導管架基礎主要參照國家能源行業標準[8]和規范[5]設計。同時，考慮到灌漿體的粘結效果與管壁清潔度關系密切，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泥土影響，需將其設置在泥面以上。基于上述限制條件，場區導管架基礎灌漿連接段布置方案如圖1所示。

1.2.2 面臨的主要問題

結合深水海域建設條件、設計規范及經驗和現有施工水平，灌漿連接段在結構設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軟件在導管架建模、荷載模擬以及結構分析中優勢明顯，但由于灌漿連接段結構型式和傳力方式較為復雜，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行計算。在由整體分析轉到局部模擬時，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計方案和安全性能。現階段暫未有文獻詳細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計缺陷。考慮到深水風場樁內清淤難度大、效果差的實際情況，為保證灌漿體和管壁的粘結質量，灌漿連接段需設置泥面以上。相對于近海風場，深水海域外荷載明顯增大，灌漿連接段構造長度同步增加，鋼管樁需伸出泥面較長距離，考慮打樁引起的樁內土塞，鋼管樁懸臂段可達到9～14 m，懸臂段過長將會直接影響灌漿段乃至導管架基礎結構安全，同時導致總體用鋼量增加。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，需要進行吸泥處理。當水深達到40 m以上時，常規吸泥設備效率低、效果差，對結構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，材料的力學指標如表2所示。

表1 灌漿連接段幾何尺寸 mm

表2 鋼材及灌漿體力學參數

有限元分析中邊界方式主要有三種：固定約束、位移和荷載。現階段工程應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)。本節分別基于上述兩種施加方式對靜力作用下灌漿連接段強度進行分析，并同SACS整體模型結果對比，驗證邊界條件施加對結果的影響。

基于第2節的導管架基礎設計方案，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。基于SACS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 導管架基礎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力分別為-65 MPa和-46 MPa，如圖4所示。根據規范[5]中最小主應力校核公式可得灌漿體允許應力為64.2 MPa，因此采用方式一存在灌漿體局部位置應力超限問題。同時，將灌漿連接段所有位置應力進行對比如表5所示。

圖4 不同邊界條件下灌漿體最小主應力

表5 灌漿連接段應力對比 MPa

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

表6 灌漿連接段插入段應力對比

3 基于現有施工能力的局部優化設計

深水海域灌漿連接段設計方案存在的諸多問題，主要受限于清淤施工技術能力。為有效降低樁內泥土對灌漿連接段的設計阻礙，在確保灌漿連接段結構安全的前提下，在主導管插入段下部導向段處設置多個導泥孔，并在主導管插入段下部設置密封圈，如圖6所示。通過設置導泥孔，將部分樁內泥土導入主導管插入段內，可有效降低樁內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部分隔，并起到樁內刮泥的效果。通過工程區導管架基礎實際施工效果來看，相較于未進行優化設計的基礎，優化后的方案可將土塞影響高度降低至0.5 m以內，在避免土塞效應影響的前提下，可進一步將懸臂段長度縮短1～2 m。

圖6 灌漿連接段新型設計方案

4 結 語

導管架基礎在深水海域優勢明顯，但受限于深水海域惡劣海況、施工技術及實踐經驗不足等因素，主流設計理念存在一定局限性。本文結合福建某深遠海風場建設環境，對現有灌漿連接段設計理念存在的問題進行分析，得到如下結論：

1)通過對比驗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。

2)設置導泥孔、密封圈等方案可有效降低土塞效應對灌漿連接段的影響，從而提高結構安全性、降低施工難度和風險。

3)進一步地，通過提高樁內清淤設備能力、改進樁內清淤施工手段、優化灌漿段構造等方式實現灌漿連接段設置在泥面以下的技術方案。