海上自立式測風塔基礎(chǔ)連接節(jié)點分析

王子俊 方孝伍 張強林

(福建省電力勘測設(shè)計院發(fā)電公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的安全壓力和環(huán)保要求日益增大，我國大力鼓勵支持發(fā)展可再生能源，海上風電高速發(fā)展，而開發(fā)海上風電首要的問題就是對風能資源的觀測工作，建立海上測風塔是觀測的必要前提。

海上測風塔形式多種多樣，目前國內(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，這種方式存在的最大問題是水上焊接的施工質(zhì)量很難保證，而對于水深淺，風浪小的地區(qū)尚可，對水深大，風浪大的地區(qū)，可采用同風機基礎(chǔ)一樣的導管架基礎(chǔ)形式。在打入樁后，整體吊裝導管架平臺，將平臺腿桿插入鋼管樁內(nèi)，再進行灌漿連接，或是用抱箍連接的方式代替原來的焊接方式，形成支撐平臺。這兩種形式對于惡劣的海況條件來說，可一定程度上減少水上焊接的工作量。但這兩種方式關(guān)鍵的問題是灌漿連接節(jié)點或抱箍連接節(jié)點的設(shè)計和施工，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，此連接節(jié)點往往是設(shè)計和施工的重點和難點。在一些國外工程中，在此節(jié)點也出現(xiàn)過工程問題，并導致規(guī)范做出了相應(yīng)的調(diào)整。本文將結(jié)合實際工程，就這兩種節(jié)點形式予以計算對比分析。

1 工程概況及整體分析

此測風塔建設(shè)工程是海上風電場建設(shè)的前期工程，位于福建省臺灣海峽海域，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)采用三樁導管架結(jié)構(gòu)。將預先加工好的鋼桁架平臺通過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 ，計算模型如圖1所示。

圖1 測風塔基礎(chǔ)整體模型

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

圖2 導管架灌漿連接示意圖

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

表1 灌漿節(jié)點內(nèi)力表

由此可見，測風塔導管架平臺與樁腿之間的灌漿節(jié)點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承擔，彎矩由灌漿體及鋼管樁共同承擔。

2 灌漿連接設(shè)計

挪威船級社(DNV)在與德國勞氏船級社(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，對灌漿連接的設(shè)計驗算做了大量的更新和補充，在國內(nèi)暫無明確相關(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準值為：

經(jīng)計算，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灌漿材料所允許的抗剪強度fbk2：

有，fbk2=2.82 654MPa>1.842MPa

剪力鍵單位長度的設(shè)計承載力Fvshkcap,d:

而導管架腿與樁基的單個剪力鍵沿圓周單位長度所受荷載分別為：

兩者均小于Fvshkcap,d，灌漿體雙側(cè)剪力鍵強度均滿足要求。

其中，規(guī)范中對n給出的注釋為有效剪力鍵個數(shù)，經(jīng)過大量的計算對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)形成的剪力鍵對間的漿體形成了受壓短柱。

鋼管樁的彈性長度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度，考慮到導管架方法其實并未考慮到彎矩對剪力鍵的影響，且有效灌漿長度Lg并未直接參與計算，故用單樁灌漿節(jié)點算法進行復核：

剪力鍵周圍的灌漿連接單位長度的有效彈性剛度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度的作用力：

單個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，其實是一種工程經(jīng)驗的總結(jié)，對于灌漿段的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)，只有通過有限元建模分析得到。

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

3 抱箍連接設(shè)計及優(yōu)缺點對比

鋼管樁直徑為1800mm打入海底，平臺結(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高強螺栓，抱箍連接示意圖如圖4所示。

圖4 抱箍連接節(jié)點示意圖

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

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

表2 不同連接形式的優(yōu)缺點對比[3]

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

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

4 結(jié)論

(1)海上測風塔基礎(chǔ)整體靜強度計算多為抗拔控制，由于構(gòu)件尺寸的增大或構(gòu)件數(shù)量的增加將會導致波浪力也相應(yīng)有所增大，因此測風塔基礎(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度要求以及結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求，目前國內(nèi)尚無較為明確的設(shè)計規(guī)范，主要參考DNVGL-ST-0126-2016規(guī)范作為設(shè)計依據(jù)。

(3)灌漿節(jié)點連接和抱箍連接各有優(yōu)劣，工程設(shè)計中，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，選取適宜的連接方式。

參考文獻

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

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

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