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海上风电因其风能产量高、风力持久稳定、受土地与环境噪声制约弱等因素受到许多国家的关注。目前，全球海上风电总装机容量突破5 GW，我国海上风电总装机量达到近400 MW，可推断，海上风电将是未来清洁能源发展的一个重要方向。在海上风电的成本构成中，海上风机基础仅次于风机，海上风机基础型式多样，单桩、水下三桩、水上三桩以及导管架是目前运用较多的基础型式。这几种基础形式有一个共同点——需通过灌浆与下部钢管桩连接。固定海上风机基础与钢管桩的灌浆连接已成功应用于很多国外的海上风电场。根据国外的经验，风机基础的灌浆连接设计对于保证风机正常运行至关重要。
灌浆连接段的受力主要分四类，即弯矩、竖向轴力、水平力以及扭矩，不同的灌浆连接段实际受力与基础型式密切相关。单桩基础中的灌浆连接段受轴力、弯矩和扭矩的联合作用，其中以弯矩为主。三桩基础和导管架基础灌浆连接段中的弯矩与竖向力则相当，一般竖向力更大，扭矩非常小。
一般而言，灌浆连接段有3种受力机理：浆体与钢管的界面粘结、摩擦以及桩和套管剪力键形成的抗压柱[1]。Lotsberg[2-3]等人详细研究了单桩灌浆连接段在弯矩和扭矩作用下的受力机理，钢管与浆体的摩擦系数以及疲劳等，得出许多宝贵的结论，并反映到挪威船级社规范DNV-OS-J101中。最近4年，DNV-OS-J101更新了3版，2011年[4]与2013年[5]的版本关于灌浆分析的内容相差不大，均只针对单桩，当为导管架基础时，这两版规范均指向NORSOK规范[6]。最新的DNV-OS-J101规范，对单桩与导管架的灌浆连接段分别进行了详细的描述，其中单桩的灌浆连接段有带剪力键圆柱灌浆连接段与不带剪力键圆锥灌浆连接段2类；导管架的灌浆连接段有后桩法导管架灌浆连接段与先桩法导管架灌浆连接段2类[7]。仲伟秋等人运用ANSYS分析了桩基础与导管架灌浆连接段的受力[8]。
总体而言，国内针对灌浆连接段受力的研究非常少，本文参照最新的DNV-OS-J101规范，以先桩法导管架为研究对象，分析影响海上风机导管架基础灌浆连接强度的主要因素，选择合适的参数用于灌浆连接段设计，再运用有限元软件来进行数值模拟，进一步确定导管架基础灌浆连接段设计的可靠性。
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先桩法导管架的灌浆连接段由2个同心圆管组成，内钢管为导管架腿柱，外钢管为钢管桩，两个钢管上焊有剪力键，通常剪力键的形状分光圆钢筋与方钢2种，内外钢管之间填充高强灌浆材料，见图1所示。
图 1 先桩法导管架单根钢管桩灌浆连接示意图
Figure 1. Grouted Connection in Pre-piled Jacket Structure
图中：Rp——钢管桩半径；tp——钢管桩壁厚；RJL——导管架腿柱半径；tJL——导管架腿柱壁厚；L——灌浆长度；tg——灌浆厚度；h——剪力键高度；w——剪力键宽度；s——剪力键间距。
从组成上分析，灌浆连接段与工程常规的节点受力分析的不同主要体现在剪力键与高强灌浆料上。剪力键的影响主要表现在剪力键的间距与高度上；海上风电灌浆连接段采用的高强灌浆料，具有大流动度、无收缩、早期强度及长期强度较高、抗疲劳性能高等特点，28天抗压强度可达130 MPa以上，弹性模量可达50 GPa以上。
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对于先桩法导管架灌浆连接段，受竖向轴力荷载作用下，灌浆连接段界面抗剪强度可根据式(1)求得。
((1)) 式中：k为径向刚度；fck为75 mm立方灌浆体的特征抗压强度，单位为MPa。
另外，式(1)计算得到的强度值不应超过式(2)计算的浆体破坏时的强度值。
((2)) 式(3)给出每个剪力键单位长度的特征强度：
((3)) 材料系数取2.0，则每个剪力键单位长度的设计强度为：
((4)) 而单个剪力键单位长度下设计荷载强度由式(5)求得：
((5)) 式中：n为单个钢管上的剪力键个数。
当不等式(6)满足时，灌浆连接段的设计方才满足要求。
((6)) -
对于先桩法导管架基础，从灌浆连接段顶部(桩顶)到一半弹性长度的范围内，受弯矩影响较大，其他部分受弯矩影响较小。钢管桩的弹性长度le由下式给出：
((7)) 式中：IJL表示导管架腿柱的惯性矩；支撑弹簧刚度krD定义为径向弹簧刚度乘以导管架腿柱直径，可表示为：
((8)) 式中：E为钢材的弹性模量；m为钢材与高强灌浆料的弹模比。
对于由水平力与弯矩引起的最大名义径向接触压力pnom可由式(9)计算。
((9)) 由式(7)～(9)可知，导管架基础灌浆连接段的抗弯性能与剪力键的高度、宽度、间距以及浆体的抗压强度等无关，与钢管桩与导管架腿柱的相关参数及浆体弹性模量等有关。
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基于第2节的描述，对灌浆连接段进行分析，并对影响灌浆强度的因素开展参数敏感性分析，这些参数包括灌浆料强度、钢管桩壁厚、导管架腿柱壁厚、剪力键间距、剪力键高度等，每次分析只改动单个参数。由于钢管桩半径与导管架腿柱半径不由灌浆连接段分析决定，故在分析中保持不变。
钢管桩半径Rp与导管架腿柱半径RJL分别为1 100 mm与900 mm，表1为荷载输入信息，表2为钢材与高强灌浆材料的力学参数。
表 1 荷载输入信息
Table 1.
Loads Input Information 荷载分量 弯矩M /kN·m 竖向力V /kN 扭矩T /kN·m 水平力H /kN 数值 11 000 13 000 5 1 800 表 2 钢材与高强灌浆材料的力学参数
Table 2.
Mechanical Parameters of Steel and Grout 力学参数 密度/(kg/m3) 弹性模量/ MPa 抗压强度/ MPa 抗拉强度/MPa 泊松比 钢材 7 850 206 000 335 335 0.3 高强灌浆料 2 400 55 000 130 7 0.19 -
灌浆连接段中灌浆料的强度决定了灌浆料的品种，按灌浆料强度从80 MPa、90 MPa、100 MPa、110 MPa、120 MPa、130 MPa、140 MPa、150 MPa分别探讨其对灌浆连接段强度的影响。如图2所示，无论是界面抗剪强度，还是浆体破坏时的粘结强度，均随着抗压强度的增大而增大。
图 2 灌浆料强度对连接段受轴力的影响
Figure 2. Effect of Grout Strength on Grouted Connection Under Axial Force
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钢管桩与导管架腿柱的壁厚决定了各自的刚度，按壁厚从30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、65 mm分别探讨其对灌浆连接段强度的影响，浆体破坏时的粘结强度由于与钢管桩壁厚无关，在此仅比较两者壁厚对界面抗剪强度的影响。如图3所示，界面抗剪强度随着两者壁厚的增大而增大，当钢管桩壁厚增加到一定值时，界面抗剪强度几乎不再增加，却随导管架腿柱壁厚增大而不断增大。
图 3 钢管桩壁厚与导管架腿柱壁厚对连接段受轴力的影响
Figure 3. Effect of Thickness of Both Steel Pile and Jacket Leg on Grouted Connection Under Axial Force
与此同时，图4表示，最大名义径向接触压力随着钢管桩壁厚的增大而增大，却随导管架腿柱壁厚的增大而减小。最新DNV-OS-J101规范规定，最大名义径向接触压力不宜超过1.5 MPa。因此，当钢管桩壁厚达到一定值后，一味增大钢管桩壁厚对灌浆连接段受轴力作用并无改善，反而不利于弯矩作用下的力学性能，而增大导管架腿柱壁厚对灌浆连接段受轴力与弯矩均有利。因此，最新DNV-OS-J101规范对导管架腿柱的径厚比要求比钢管桩的更高。
图 4 钢管桩壁厚与导管架腿柱壁厚对连接段受弯矩的影响
Figure 4. Effect of Thickness of Both Steel Pile and Jacket Leg on Grouted Connection Under Moment
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剪力键对于改善灌浆连接段受力具有重要作用，剪力键布置不能过密，也不能过稀，过密与过稀均导致不合理的传力，剪力键间距从100 mm～500 mm，增量为50 mm，探讨其对灌浆连接段强度的影响。如图5所示，界面抗剪强度随着剪力键间距增大而减小，而浆体破坏时的粘结强度则随间距增大而增大。规范要求，界面抗剪强度要小于浆体破坏时的界面强度，因此，剪力键间距最好大于250 mm。
图 5 剪力键间距对连接段受轴力的影响
Figure 5. Effect of Shear Key's Space on Grouted Connection Under Axial Force
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高度作为剪力键的关键参数对灌浆连接段受力具有较大影响，当剪力键高度为10 mm、12 mm、14 mm、16 mm、18 mm、20 mm、22 mm时，探讨其对灌浆连接段强度的影响。如图6所示，随着剪力键高度增大，界面抗剪强度增加明显，而浆体破坏时的粘结强度则有减小的趋势。按照规范要求，界面抗剪强度不大于浆体破坏时的粘结强度，剪力键高度最好小于16 mm。
图 6 剪力键高度对连接段受力的影响图示
Figure 6. Effect of Shear Key's Height on Grouted Connection Under Axial Force
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灌浆长度通常是设计中考虑的关键因素，而灌浆连接段的长度决定了剪力键的数量以及灌浆料用量，因此有必要研究剪力键对灌浆连接段强度的影响。当灌浆长度从1 800 mm～3 900 mm以间隔300 mm变化时，其影响如图7所示。图中设计承载力表示单个剪力键单位长度的设计承载力，当剪力键参数不变时，其设计承载力保持不变，当灌浆长度从1 800 mm变化到3 900 mm，外部荷载分配到单个剪力键单位长度的设计荷载迅速下降。从图7可知，要保证安全，灌浆长度必须大于2 400 mm。
图 7 灌浆长度对连接段受力的影响图示
Figure 7. Effect of Grout's Length on Grouted Connection Under Axial Force
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商业有限元软件能有效模拟浆体与钢管壁的接触以及浆体的本构关系，对导管架灌浆连接段进行数值模拟，分析结构在设计荷载下的力学性能。
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根据第3节的分析结果，选用表3的典型模型进行分析。
表 3 有限元模型的几何参数
Table 3.
Geometries of Finite Element Model 几何参数 符号 高强灌浆料/mm 钢管桩半径 Rp 1 100 钢管桩壁厚 tp 55 导管架腿柱半径 RJL 900 导管架腿柱壁厚 tJL 50 灌浆长度 l 2 600 灌浆厚度 tg 145 剪力键高度 h 12 剪力键宽度 w 20 剪力键间距 s 300 数值分析模型主要由三部分组成，分别是钢管桩、导管架腿柱和灌浆部分。建模时，考虑到对称性，模型如图8所示，单元数量137040个。模型采用两种材料：灌浆和钢材。灌浆材料采用软件中的混凝土损伤塑性模型定义，考虑材料拉压非线性及屈服，钢材本构采用理想弹塑性材料。灌浆部分与钢材的两个接触面参数定义如下：法线方向为硬接触，切线方向摩擦系数取为0.7[7]。
图 8 典型灌浆连接段有限元模型
Figure 8. Finite Element Model of Typical Grouted Connection
桩底部约束所有自由度，对称面采用对称约束，同时还约束住顶部无荷载施加的方向。荷载施加通过定义在上端圆心处的参考点进行，水平力为900 kN，竖向荷载为6 500 kN，弯矩(已减去水平力产生的弯矩)为3.52×106 kN·mm。
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数值分析中，研究加载点的水平(δH)、竖向位移(δV)，钢结构部分最大Mises应力(σMises)，灌浆材料部分最大Tresca应力等(σTresca)，计算结果见图9和表4。
图 9 有限元分析结果图示
Figure 9. Graphical Results of Finite Element Analysis
表 4 有限元分析结果列表
Table 4.
Results of Finite Element Analysis 有限元分析项目 最大水平位移δH/mm 最大竖向位移δV / mm 钢材中最大应力σMises / Mpa 灌浆中最大应力σTresca / Mpa 数值 7.541 3.187 189.185 87.688 由图9和表4可知，应力分布显示轴力与弯矩的联合作用明显，有限元模型最大应力出现在内管壁第一个剪力键上方，约189.185 MPa，低于钢材的屈服应力。浆体最大的应力也发生与第一个剪力键接触的位置，其值为87.688 MPa，小于其抗压强度值。
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1)影响灌浆连接段受力的因素主要有灌浆料强度、钢管桩壁厚与导管架腿柱壁厚、剪力键间距、剪力键高度以及灌浆段长度等。
2)界面抗剪强度随灌浆料强度、钢管桩壁厚与导管架腿柱壁厚、剪力键高度增大而增加，随剪力键间距增大而减小；浆体破坏时的粘结强度随灌浆料强度、剪力键间距增大而增加，随剪力键高度增大而减小；由于影响规律不同，在选择各参数时，要确保界面抗剪强度小于浆体破坏时的粘结强度。
3)钢管桩壁厚达到一定值后，由于弯矩作用，不宜进一步增加其壁厚。
4)通过灌浆连接段的数值模拟，了解了其内部的应力分布。灌浆连接段在受轴力与弯矩的联合作用下，钢材与浆体最大应力发生在剪力键及与剪力键接触的浆体上，证明在此处产生应力集中。需要关注其疲劳性能。
Analysis of Grouted Connection in Offshore Wind Turbine Jacket Foundation
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摘要:
开展近海风电导管架基础的灌浆连接段受力分析，对于理解其传力机制与受理机理、保证海上风机支撑结构的安全性能、优化设计等方面具有重要的理论与现实意义。首先利用DNV规范对影响灌浆连接段性能的因素开展参数敏感性分析，再运用有限元软件对导管架基础的灌浆连接段进行模拟，该软件能有效模拟浆体与钢管壁的接触以及浆体的本构关系。根据规范进行的参数敏感性分析，得出一些重要规律和结论，便于工程设计人员更好地理解先桩法导管架基础灌浆连接段的受力特点，选择合适的参数用于灌浆连接段设计，再依据数值模拟，确定导管架基础灌浆连接段设计的可靠性。 Abstract:It is great theoretical and practical significance to carry out analysis of grouted connection in jacket foundation for understanding its mechanism of force transfer, ensuring safety performance of offshore wind turbine support structures and optimizing design of this part. In this study, DNV standard was firstly applied to conduct sensitivity analysis of parameters which affect performance of grouted connection. Then finite element software was used to simulate it and can effectively simulate the contact of grouts with wall of steel and grout's constitutive relationship. Finally, some inportant rules and conclusionts were drawn from parameter sensitivity analysis based on DNV standard. These conclusions facilitate a better understanding of mechanical characteristics of grouted connection in pre-piled jacket and help engineers to select the appropriate parameters for grouted connection design. Numerical simulation validates the reliability of grouted connection design. -
Key words:
- offshore wind /
- jacket /
- grouted connection /
- DNV /
- finite element method
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图 2 灌浆料强度对连接段受轴力的影响
Fig. 2 Effect of Grout Strength on Grouted Connection Under Axial Force
图 3 钢管桩壁厚与导管架腿柱壁厚对连接段受轴力的影响
Fig. 3 Effect of Thickness of Both Steel Pile and Jacket Leg on Grouted Connection Under Axial Force
图 4 钢管桩壁厚与导管架腿柱壁厚对连接段受弯矩的影响
Fig. 4 Effect of Thickness of Both Steel Pile and Jacket Leg on Grouted Connection Under Moment
图 5 剪力键间距对连接段受轴力的影响
Fig. 5 Effect of Shear Key's Space on Grouted Connection Under Axial Force
图 6 剪力键高度对连接段受力的影响图示
Fig. 6 Effect of Shear Key's Height on Grouted Connection Under Axial Force
图 7 灌浆长度对连接段受力的影响图示
Fig. 7 Effect of Grout's Length on Grouted Connection Under Axial Force
表 1 荷载输入信息
Tab. 1.
Loads Input Information 荷载分量 弯矩M /kN·m 竖向力V /kN 扭矩T /kN·m 水平力H /kN 数值 11 000 13 000 5 1 800 
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表 2 钢材与高强灌浆材料的力学参数
Tab. 2.
Mechanical Parameters of Steel and Grout 力学参数 密度/(kg/m3) 弹性模量/ MPa 抗压强度/ MPa 抗拉强度/MPa 泊松比 钢材 7 850 206 000 335 335 0.3 高强灌浆料 2 400 55 000 130 7 0.19
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表 3 有限元模型的几何参数
Tab. 3.
Geometries of Finite Element Model 几何参数 符号 高强灌浆料/mm 钢管桩半径 Rp 1 100 钢管桩壁厚 tp 55 导管架腿柱半径 RJL 900 导管架腿柱壁厚 tJL 50 灌浆长度 l 2 600 灌浆厚度 tg 145 剪力键高度 h 12 剪力键宽度 w 20 剪力键间距 s 300
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表 4 有限元分析结果列表
Tab. 4.
Results of Finite Element Analysis 有限元分析项目 最大水平位移δH/mm 最大竖向位移δV / mm 钢材中最大应力σMises / Mpa 灌浆中最大应力σTresca / Mpa 数值 7.541 3.187 189.185 87.688
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