基于試驗數據庫的灌漿連接規范公式安全性評估

吳兆旗，游先輝，王根梁，單寧康

(福州大學土木工程學院, 福建 福州 350108)

0 引言

灌漿連接由兩個不同直徑鋼管進行嵌套連接，并在兩根鋼管之間形成的環形空間內灌注水泥基高強灌漿材料.灌漿連接通過管壁和灌漿體之間的剪切和摩擦傳遞內力.在海洋環境中，工程的實施不僅受到風、浪、濕度、強腐蝕等環境因素的影響，還受到施工工藝的影響.特別是樁基礎結構與上部結構之間的連接需要在水下完成時，很難實現連接.灌漿連接具有整體性好、施工方便、造價低等優點，在海洋工程中得到了廣泛的應用.越來越多的海上平臺和結構正在以這種方式連接，如采油平臺、跨海橋梁、海上風電結構等.隨著海上風電的發展，灌漿連接已逐漸應用于海上風電電力基礎設施的基礎結構.

由于灌漿連接本身的復雜性和連接問題的重要性，國外學者在19世紀70年代便開始著手研究灌漿連接在海上風電基礎結構處的受力性能，所以在積累了大量模型試驗研究的基礎上，美國、英國和挪威等國相繼出臺了針對海上風電平臺灌漿連接性能研究的設計規范.經過幾十年來的實踐改進，便形成了相對完整的一套體系.

文獻[1]設計60個灌漿連接試件并對其進行軸向荷載受壓試驗，收集結合早期試驗項目結果共450個實驗數據，通過試驗結果分析建立粘結強度和這些參數關系的經驗公式.提出粘結強度主要分為摩擦受力與剪力鍵受力，粘結強度與灌漿體抗壓強度的平方根成正比.在考慮材料特性和海上施工條件不確定性的條件下，提出使用6.0的整體安全系數是較為合理的.文獻[2]進行147個試驗結果的比較，包括62項普通連接試驗(無剪力鍵)和85項帶剪力鍵連接試驗.結果表明，對于具有剪力鍵的灌漿連接試驗而言，API規范公式比HSE規范公式具有更高的安全指數，API規范公式的平均安全系數略大于HSE規范公式.通過大量試驗數據分析表明，API規范公式的最小個體安全系數為2.5，而HSE規范公式的最小個體安全系數為1.4.文獻[3]提出一個灌漿連接軸力傳遞計算公式并寫入API規范中.將設計公式與71個無剪力鍵連接段試驗結果進行對比，得出平均安全系數為8.25，最小安全系數為2.44，安全指數為3.96；與84個設置剪力鍵連接試驗結果對比，得出平均安全系數為5.05，最小安全系數為2，安全指數為4.80.

文獻[4]進行了51個帶剪力鍵灌漿連接試件的試驗結果與規范計算結果對比，結果表明，API(2007)規范公式在分析灌漿連接在軸向受力時具有良好的可靠性，但對其承載性能的預估卻是嚴重低估，容易產生不經濟的設計結果；DNV-GL(2016)規范公式對于灌漿連接適用性較好，雖然在灌漿連接抗剪強度較高情況下會產生低估承載力情況，但總體而言該方法得到結果安全可靠.文獻[5]通過模型試驗研究與數值模擬分析，認為目前的設計標準如DNV、NORSOK、ISO和API可以使高強度灌漿連接件的安全設計達到2.4～4.5的安全系數.然而，由于設計方程不能考慮極限狀態下鋼的屈服約束，因此需要進一步的研究來代替現有的設計方程.

綜上可知，近年來海上風電發展迅速，不斷有學者進行灌漿連接試驗研究與規范公式分析，因此有必要收集近年來國內外學者所做試驗及其結果，統計分析試驗參數研究現狀，并基于此，對常用規范設計公式安全性進行分析，為我國海上風電建設提供設計指導.

1 試驗數據庫建立與參數分析

1.1 數據庫建立

圖1 灌漿連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of grouted connection

通過收集整理國內外文獻，獲得設置剪力鍵形式灌漿連接軸向性能的相關文獻26篇，并整理出404個試件的構造參數及試驗結果數據[1-3, 5-27].剔除數據庫中253個無法獲取完整參數信息試件，文獻[26]中一共測試了54個試件，但由于每組試驗結果(每組3個試件)僅列出1個平均試驗結果值，得到有效試件測試結果數據量為18個.因此最終建立的數據庫中共有115個有效試件.

1.2 試驗參數分析

灌漿連接的設計通常如圖1所示，其中t為鋼管樁壁厚，h為剪力鍵高度，s為剪力鍵間距，D為鋼管樁外徑. 通過統計分析，并根據表1中各規范設計公式參數取值范圍，得到了試驗數據庫中不同參數真實分布情況. 這些參數包括樁管徑厚比Dp/tp、套管徑厚比Ds/ts、灌漿材料徑厚比Dg/tg、灌漿材料厚度tg、灌漿材料抗壓強度fcu、長徑比Lg/Dp、剪力鍵高度h、剪力鍵間距s、剪力鍵高距比h/s、剪力鍵寬高比w/h.其中，Dp為樁管直徑，Rp為樁管半徑，tp為樁管厚度，Ds為套管直徑，ts為套管厚度.

表1 各規范設計公式適用的參數取值范圍

在所收集的試驗數據庫中，灌漿連接段試件參數分布范圍見圖2.

圖2 數據庫灌漿連接段試件參數分布范圍Fig.2 Parameter range distribution of grouted connection in database

由圖2可知，現有試驗研究中超過50%的試件套管直徑低于400 mm, 且對于試件套管直徑超過800 mm的研究僅有一項，采用較大直徑進行灌漿連接載荷試驗的有Lee等[5]、Billington等[6]和You等[27]，試件共計14個，套管直徑為580～1 524 mm；樁管徑厚比、套管徑厚比的選擇為低徑厚比，缺少高徑厚比下灌漿連接試驗研究，其中樁管徑厚比在45～60 mm范圍內無相關試驗研究；灌漿厚度的選擇大部分不符合主要規范使用范圍，且主要集中于低灌漿厚度；灌漿材料抗壓強度的選擇大部分為低抗壓強度，雖滿足大部分規范公式適用范圍，但不利于實際工程實踐運用；連接段長徑比的選擇大部分為低長徑比，主要集中于0～3范圍內；剪力鍵高度的選擇大部分為低剪力鍵高度，主要集中于1～3 mm范圍內，且大部分不滿足DNV-GL(2018)規范設計要求；剪力鍵間距的選擇大部分為低剪力鍵間距，主要集中于0～100 mm范圍內，其中各規范并沒有對剪力鍵間距進行直接范圍規定，因此可參考剪力鍵高距比的統計分析結果；剪力鍵高距比的選擇大部分符合各規范設計要求，主要集中于0～0.08范圍內，且對于規范公式適用范圍之外的剪力鍵高距比也存在相關試驗研究；剪力鍵高寬比的選擇主要集中于1和2附近，即剪力鍵形狀基本滿足各規范設計要求.

2 規范設計公式安全性

通過統計數據庫中試件試驗強度值、各規范公式設計值及其二者之比計算所有試件試驗安全系數，統計分析各規范公式下試驗安全系數值的分布，評估各規范承載力設計公式的安全性.

規范DNV-GL(2018)、NORSOK(2013)和ISO(2007)中灌漿連接段承載力設計公式基于荷載抗力系數法(LRFD)，公式考慮剪力鍵附近的滑動、破碎，以及灌漿材料產生斜裂縫而導致的剪切破壞.設置剪力鍵圓形灌漿連接段只考慮承載力極限狀態時，規范取材料系數γ=2，得到試驗強度值與設計值的比值γ0柱狀圖如圖3所示.

圖3 各規范安全系數分布Fig.3 Distribution of factor of safety

從圖3(a)可看出，DNV-GL(2018)規范試驗安全系數γ0在0.46～12.27之間浮動，γ0大于2的試件占總試件的83%，試件在γ0=3左右處的數量最多，其標準差Sγ0=3.39，即γ0分布離散性較小；試驗平均安全系數為6.98.因此，利用DNV-GL(2018)規范設計公式計算結果具有較高安全裕度.

從圖3(b)可看出，NORSOK(2013)規范試驗安全系數γ0在0.44～13.72之間浮動，γ0大于2的試件約占總試件的80%，試件在γ0=2左右處的數量最多，其標準差Sγ0=3.29，即試驗安全系數γ0分布離散性較小，試驗平均安全系數為4.45.因此，利用NORSOK(2013)規范設計公式計算結果具有良好的安全裕度.

從圖3(c)可看出，ISO(2007)規范試驗安全系數γ0在0.38～13.72之間浮動，γ0大于2的試件約占總試件的80%，試件在γ0=2左右處的數量最多，其標準差Sγ0=3.45，即試驗安全系數γ0分布離散性較小，試驗平均安全系數為4.15.因此，利用ISO(2007)規范設計公式計算結果具有良好的安全裕度.

美國石油協會API(2007)設計規范公式基于容許應力設計方法(ASD)，沒有明確區分上述故障模式，考慮一定的安全系數得到正常工況下和極端工況下荷載傳遞應力容許值.

從圖3(d)可看出，API(2007)設計規范正常工況下試驗安全系數γ0在0.55～16.65之間浮動，γ0大于2的試件達到了總試件的85%，但γ0大于6的試件只達到了總試件的33%，γ0在1～6范圍內的試件數量最多，其標準差Sγ0=3.37，即γ0分布離散性較小，試驗平均安全系數為5.47，安全裕度較低.

從圖3(e)可看出，API(2007)設計規范極端工況下試驗安全系數γ0在0.41～12.44之間浮動，γ0大于2的試件達到了總試件的80%，γ0大于6的試件達到了總試件的21%，γ0在2～5范圍內的試件數量最多，其標準差Sγ0=2.52，γ0分布離散性一般，試驗平均安全系數為4.08，安全裕度較低.

英國健康與安全執行局HSE(2001)設計規范公式采用的安全系數考慮荷載條件，在運行情況下，安全系數γ取6.0.從圖3(f)可看出，試驗安全系數γ0在0.46～8.35之間浮動，γ0大于2的試件達到了總試件的89%，但γ0大于6的試件只達到了總試件的20%，γ0在3～6范圍內的試件數量最多，其標準差Sγ0=1.87，試驗安全系數γ0分布離散性較小.試驗平均安全系數為4.26，公式計算結果安全性為各規范中最低.

3 結語

1) 通過分析115個試件的構造參數，發現基于灌漿厚度、套管徑厚比、灌漿材料徑厚比和剪力鍵高距比等滿足規范要求的情況下的較大直徑高強灌漿連接試驗研究成果甚少，亟需開展大直徑高強灌漿連接段的研究工作.

2) 規范DNV-GL(2018)試驗平均安全系數為6.98，相比其他規范平均安全系數最高，安全裕度較大，且對應標準差Sγ0=3.29，離散性較小；HSE(2001)試驗平均安全系數為4.26，標準差為1.87，雖然離散性較小，但公式計算結果安全性相比各規范中最低.

3) 各規范設計公式對灌漿連接軸向承載力預測結果不盡相同，HSE(2001)設計規范公式由于公式參數設置具有局限性，導致計算結果安全性偏低.而DNV-GL(2018)設計規范公式在各公式計算結果對比中安全性好高、適用性廣和經濟性好，推薦海上風電結構灌漿設計優先考慮采用DNV-GL(2018)規范.