施工期海上風機高樁承臺基礎剪力件設計

左晶晶，李 娜，羅成喜，王文華

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 新能源工程設計院，長沙 410014；2.大連理工大學 a.海岸和近海工程國家重點實驗室；b.建設工程學部 工程抗震研究所，遼寧 大連 116024)

風機基礎是風機工程的關鍵部分，目前國內外風機基礎應用較多的形式有單樁基礎、重力式基礎、樁基承臺基礎、高樁承臺基礎、三腳架或多腳架基礎和導管架基礎等多種形式[1]。在海上風機基礎形式中，高樁承臺基礎具有結構安全性能高、施工工藝成熟等優點[2]，已廣泛應用于近海風電場中。高樁承臺基礎施工過程中，封底混凝土與鋼管樁間并非完全粘結，承臺與鋼吊箱自重荷載主要依靠封底混凝土與鋼管樁間的黏結力承擔，當承臺與鋼吊箱自重超過該粘結力時，就會導致承臺失穩乃至破壞。針對該問題，目前主要采取的安全措施為①增加封底混凝土的厚度[3-4]，此措施經濟性較差；②通過在鋼管樁四周焊接剪力件來增加封底混凝土與樁基間的粘結力[5-6]，該措施可確保基礎施工安全，經濟性明顯好于前者。不過，目前實際工程中多根據經驗來確定剪力件的類型及數量，設計時多偏保守。為此，考慮采用接觸單元，對鋼管樁和封底混凝土之間的粘結滑移進行數值模擬，并選用分離式有限元模型建立包含鋼筋剪力件的整體模型，其中，通過設置非線性土彈簧來考慮下部樁土相互作用。據此開展施工階段海上風機高樁承臺基礎鋼管樁周圍焊接鋼筋剪力件的設計研究，比較兩種典型剪力件對封底混凝土與鋼管樁間粘結力的影響，通過改變剪力件的傾斜角度、數量和長度設計出多組剪力件設計方案，研究剪力件設計參數對承臺位移、封底混凝土主拉應力、剪力件和鋼管樁等效應力等的影響，并提出最優設計方案。

1 有限元建模

1.1 工程背景

某海上風電場設計水深3～8 m，風機基礎均采用高樁承臺基礎，由鋼管樁和混凝土承臺組成，塔筒通過錨栓籠與混凝土承臺連接，承臺底部高于海平面，以保證波浪不能直接作用在承臺上。該風電場基礎數量較多，結合以往施工經驗，選用裝配式鋼吊箱進行承臺施工。

該高樁承臺基礎為現澆C45高性能海工混凝土結構，承臺直徑13.5 m、厚度4.0 m，樁長68 m，樁內灌漿至承臺底部以下6.0 m相關基本結構參數見圖1。施工期，高樁承臺基礎擬分二期澆筑，其中一期混凝土(即封底混凝土)厚0.8 m，二期混凝土厚3.2 m。施工時，先澆筑封底混凝土，待封底混凝土達到一定強度后，安裝二期混凝土的側模板(鋼吊箱)，以封底混凝土為底模繼續澆筑二期混凝土，安裝側模板后的基礎模型見圖2。

圖1 施工階段樣本風機基礎幾何模型示意

圖2 安裝側模板后基礎模型示意

1.2 理論模型

1.2.1 鋼材材料參數

數值模擬中，鋼管樁和剪力件均采用雙線性等向強化模型(BISO)[7]，材料彈性模量Es=206 GPa，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比v=0.3。鋼管樁屈服強度fy=345 MPa，鋼筋剪力件屈服強度fy=360 MPa。

1.2.2 混凝土材料參數

高樁承臺基礎封底混凝土數值模擬中使用養護齡期為7 d的混凝土彈性模量，計算依據JTS 202-1-2010規程[8]中提供的混凝土彈性模量計算公式。

E(t)=E0(1-e-atb)

(1)

式中，E(t)為齡期t混凝土彈性模量；E0為混凝土最終彈性模量，通過試驗確定；a、b均通過試驗確定，無試驗數據時分別可取0.40和0.60；t為混凝土養護齡期。

封底混凝土強度等級為C45，彈性模量E0=33.5 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，泊松比ν=0.2。

1.2.3 接觸模型

實際工程中，封底混凝土與鋼管樁之間存在粘結滑移，粘結機理與鋼筋混凝土結構類似，以接觸的方式模擬二者界面處的粘結滑移關系。按照庫倫摩擦模型考慮接觸。庫倫摩擦模型通過定義1個臨界等效剪應力作為判斷2個表面是否相對滑動的依據，一旦剪應力超過此臨界值，則認為發生相對滑動，該狀態稱為滑動狀態，反之稱為粘合狀態，見圖3[9]。

圖3 庫倫摩擦模型

圖3中臨界等效剪應力τcrit計算公式為

τcrit=μp+c

(2)

式中:μ為摩擦因數；p為接觸處法向壓應力；c為黏聚力。

1.3 有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS，分離式建立承臺有限元模型，考慮鋼筋、鋼管樁與混凝土之間的黏結特性，其結果更加符合實際。利用折減鋼筋彈性模量的近似方法來考慮鋼筋剪力件與封底混凝土之間的粘結滑移。同時，對承臺模型進行簡化處理，不考慮封底混凝土中的細部配筋，將不產生強度的二期混凝土及鋼吊箱等效為自重荷載。

分別采用SHELL163和SOLID65單元模擬承臺內部鋼管樁與封底混凝土，兩者界面處接觸采用面-面單元，目標單元與接觸單元分別選用TARGE170和CONTA173單元[10]；鋼筋剪力件采用BEAM188單元；承臺內部鋼管樁內灌漿采用SOLID65單元，界面處采用共節點；承臺以下泥面以上鋼管樁采用PIPE59單元，泥面以下鋼管樁采用PIPE16單元。

特別考慮到泥面以下的樁-土相互作用，采用p-y曲線模擬水平向、t-z曲線模擬軸向、Q-z曲線模擬樁端的樁土相互作用[11]。采用COMBIN39單元，在樁的每個結點處設置3個彈簧單元模擬水平向和軸向的樁土相互作用；在樁端部節點處設置1個彈簧單元模擬樁端的樁-土相互作用。施工階段，整體坐標系下高樁承臺基礎有限元模型見圖4。

圖4 高樁承臺基礎有限元模型

1.4 計算工況選取及剪力處理

施工中，封底混凝土達到設計強度后，拆除承重桁架和底板，依靠封底混凝土與鋼管樁之間的黏結作用來維持結構的穩定。本文著重分析封底混凝土施工過程中的2種最不利工況，具體見表 1。

表1 封底混凝土受力分析工況

結構的鋼管樁直徑為1.4 m，封底混凝土厚度為0.8 m，兩者間的黏結力按照0.4 MPa計算，則樁與封底混凝土間的粘結力F為8 440 kN。封底混凝土自重G1為2 861 kN，二期混凝土自重G2為11 445 kN，鋼吊箱側模自重G3為1 470 kN。具體受力分析如下。

1)工況1。

承臺自重G=G1+G3=4 331 kN

2)工況2。

承臺自重G=G1+G2+G3=15 776 kN>F，承臺自重大于黏結力，不滿足受力要求。

工況2相應黏結力不足以承受承臺自重，為滿足施工期高樁承臺基礎結構的穩定性要求，通過在澆筑封底混凝土前給每根樁的樁周焊接剪力件，以增大封底混凝土與鋼管樁間的黏結力。其中，采用雙層直筋、單層斜筋兩種形式的剪力件，見圖5。

圖5 剪力件沿樁周布置方案

對工況2，通過設計兩種剪力件的數量、長度、角度等幾何參數(表2)，對比結構受力，分析不同剪力件對結構穩定性的影響。

表2 剪力件幾何參數

2 結果分析

2.1 雙層直筋剪力件

建模時，先采用雙層平直鋼筋的剪力件形式，如圖5a)所示。剪力件數量和長度對相應的位移、應力影響的計算結果見圖6。

圖6 高樁承臺基礎有限元計算結果曲線圖(雙層直筋)

由圖6a)可知，隨著剪力件長度和數量的增加，承臺豎向位移減小，之后趨于穩定。當剪力件數量達到40根時，與設置32根剪力件時的位移結果基本一致。進一步對比可知，剪力件數量取40根、長度取1 000 mm時，承臺豎向位移最小，此時相應最大值為10.14 mm。由圖6可知，封底混凝土主拉應力和剪力件等效應力的變化規律與上述承臺整體位移類似。另外，同樣當剪力件數量、長度分別取40根、1 000 mm時，封底混凝土整體所受拉應力最小，相應主拉應力最大值達8.45 MPa，遠遠超過了混凝土抗拉強度設計值1.8 MPa，不滿足強度要求。而對于剪力件等效應力，數量、長度分別為40根、600 mm時，計算結果最小，其中等效應力最大值為365 MPa，大于鋼筋屈服強度360 MPa，也不滿足強度要求。

不過，鋼管樁等效應力的變化規律與上述結果稍有差異，見圖6b)。剪力件數量取32根或40根時，鋼管樁等效應力結果十分接近，遠小于取20根時的結果，而且基本不受剪力件長度變化的影響。經過進一步對比，剪力件數量、長度分別為40根、200 mm時，鋼管樁等效應力最小，所得等效應力最大值為126 MPa，滿足鋼管樁屈服強度345 MPa。

經上述分析可知，在樁周設置雙層平直鋼筋剪力件，雖然可以保證封底混凝土滿足受力要求，但是所設剪力件鋼筋無法滿足自身的強度要求。

2.2 單層斜筋剪力件

由雙層直筋剪力件相應計算結果可知，剪力件無法滿足鋼筋強度要求，為此嘗試將剪力件換用為單層斜筋，如圖5b)所示。

為便于分析單層斜筋剪力件的影響，首先將剪力件數量統一為32根，并設置不同的剪力件傾斜角度和長度，計算得出相應的位移、應力結果，見圖7。經分析可知，隨著剪力件角度的增加，各項結果均趨于減小，傾斜角度取值超過45°后，各項結果變化不大，并且不同長度剪力件對應的結果基本相同。

圖7 高樁承臺基礎有限元計算結果曲線圖(單層斜筋)

依據上述結果分析，剪力件角度超過45°后，各項結果受其長度、角度的影響均較小。因此，可將剪力件角度設置為45°，繼續分析剪力件數量對相應計算結果的影響，見圖8。

由圖8可知，剪力件數量取32根或40根時，兩者計算結果相近且基本不受剪力件長度變化的影響，但明顯小于取20根時的結果值。當剪力件數量、長度分別取32根、200 mm時，承臺豎向位移最大值為7.98 mm，封底混凝土的主拉應力最大值為5.89 MPa，均顯著小于采用雙層直筋時的結果。同時，該情況下剪力件、鋼管樁等效應力的最大值分別為209.0 MPa和35.5 MPa，均滿足各自的屈服強度要求。

圖8 高樁承臺基礎有限元計算結果(單層斜筋，α=45°)

進一步對比可知，所有單層斜筋剪力件方案均使得封底混凝土滿足受力要求，其中大部分方案中的剪力件和相應鋼管樁均滿足各自強度要求。此外，通過合理的細部配筋即可滿足封底混凝土的抗拉強度要求，細部配筋對文中的剪力件方案的比選影響不大，故不予考慮。相比于其他滿足受力及強度要求的方案，單層斜筋剪力件角度、數量、長度分別取45°、32根、200 mm時，在較大限度節省用鋼量的同時，能夠降低對細部配筋布置方案的影響。

3 結論

1)相較于平直鋼筋，剪力件更宜采用傾斜鋼筋設計，既節省用材，又更能保證施工期高樁承臺基礎的穩定性。

2)剪力件提高粘結力的效果與其數量、長度及傾斜角度相關，但并非數量越多、長度越長或傾斜角度越大，基礎就越穩定、應力值就越小。通過建模計算及結果對比分析，可得出其中最佳的剪力件數量、長度及傾斜角度。所討論的高樁承臺基礎應采用單層斜筋剪力件，傾斜角度取45°、數量32根、長度200 mm。