Comparison of Several Design Specifications for Grouted Connections in Marine Engineering

如前所述，灌浆连接段较早出现在海洋石油平台中，因此早期的灌浆连接段规范一般只能适用于海上石油平台中，其主要受力形式是承受轴向荷载，而基本没有弯矩作用，在随后出现的海上风机基础中，导管架结构基础与海洋石油平台最为接近。然而海上风机基础中所使用的灌浆连接段的受力形式则更为复杂；这是由于其上部结构承受风荷载作用，并向下部基础传递，同时下部结构承受海浪作用，故而基础灌浆连接段承受风浪荷载的耦合作用，必须考虑弯矩的影响，这在单桩结构基础中尤为明显；同时由于风浪荷载的时变性，在20年的服役期内灌浆连接段会承受多达10⁹次疲劳荷载，对疲劳性能要求较高。因此，海上风机基础灌浆连接段应进行轴力与弯矩耦合下的极限强度状态和疲劳极限状态验算。

各规范适用的基础类型及荷载状况如表1所示，而各规范适用的几何尺寸及材料参数如表2所示。应当注意的是表2给出的各规范的几何尺寸及材料参数适用范围绝大多数并不是通过分析得到或具有明确的物理含义，仅仅代表了确定规范的试验时所包含的范围^[5]。

参数		HSE(2002)	API(2007)	ISO(2007)	NORSOK(Rev.2013)	DNV-OS-J101(2014)
						单桩灌浆段(TP在桩外为例)	导管架灌浆段(后桩为例)
桩径厚比		24≤Dp/tp≤40	Dp/tp≤40	20≤Dp/tp≤40	20≤Dp/tp≤40	10≤Dp/tp≤30	10≤Dp/tp≤30
套管(过渡段)径厚比		50≤Ds/ts≤140	Ds/ts≤80	30≤Ds/ts≤140	30≤Ds/ts≤140	9≤Ds/ts≤70	15≤Ds/ts≤70
浆体径厚比		10≤Dg/tg≤45	7≤Dg/tg≤45	10≤Dg/tg≤45	10≤Dg/tg≤45	—	10≤Dg/tg≤45
			tg≥ 38 mm	tg≥ 40 mm			(推荐)
浆体强度(MPa)		—	17．25≤fcu≤110	20≤fcu≤80	20≤fcu≤80	—	—
			fcu·h/s≤5.5
灌浆连接段长度		L/Dp ≥2	—	1≤Le/Dp≤10	1≤Le/Dp≤10	1.5≤Lg/Dp≤2.5(推荐)	1≤Lg/Dp≤10(推荐)
剪力键	高度	0≤h/Dp≤0.006	—	0≤h/Dp≤0.012	0≤h/Dp≤0.012	h ≥5 mm	h ≥5 mm
	间距	0≤Dp/s≤8	Dp/s≤8	Dp/s≤16	Dp/s≤16
	高度/间距	0≤h/s≤0.04	h/s≤0.1	0≤h/s≤0.1	0≤h/s≤0.1	h/s≤0.1	h/s≤0.1
	形状	1．5≤w/s≤3	1．5≤w/s≤3	1．5≤w/s≤3	—	1．5≤w/s≤3	1．5≤w/s≤3

Table 2.  Application Limits for Geometric and Material Parametric Equations in Different Specifications

英国健康与安全执行局(HSE)《海上结构桩与套管连接技术报告^[6]》采用了“标准粘结强度”的概念用于灌浆连接段轴向承载力的验算，认为轴向承载力是钢管与灌浆材料较小接触面的面积与标准粘结强度的乘积。在标准粘结强度公式中综合考虑了钢管和灌浆材料的直径与厚度比值及两种材料弹性模量比值的影响，引入了径向刚度K这一参数，并被以后的多部规范^[8-10]所采用；但是该报告无法考虑弯矩的作用，且如表2所示，报告要求灌浆连接段长度与内部桩管的直径的比值需要大于等于2，而在现阶段实际应用中，此条件很难满足。同时，现阶段海上风机中灌浆连接段具有钢管大径厚比(径厚比约在60～100)的特点，这使得现阶段灌浆连接段的设计验算方法难以满足该报告对钢管径厚比的要求。

美国石油协会(API)《海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法^[7]》对于轴向承载力的计算也采用了与HSE报告相同的概念，即认为轴向承载力等于允许传递应力值乘以接触面面积，同时采取更加经验的无剪力键灌浆连接段允许传递应力值，此值与几何参数和材料性能无关，为一定值；当布置剪力键时，该规范允许传递应力值再加上剪力键部分的贡献，使用剪力键高度与间距的比值h/s这一参数表示剪力键部分的贡献。规范提出的灌浆材料单轴抗压强度适用范围为17.25 MPa≤f_cu≤110 MPa，而现阶段在灌浆连接段中广泛使用的高强灌浆材料强度已经远超出110 MPa；此外如表1所述，规范中虽然提到除轴力之外的其它荷载形式需要进行合理的分析及测试，但未给出具体的设计方法。

国际标准化组织(ISO)《石油和天然气行业固定海上钢结构规范^[8]》考虑了轴力与扭矩的叠加，二者的计算均假设应力均匀分布，并且采用矢量叠加的方式计算组合应力，设计中应满足矢量和应力值小于灌浆材料与钢管接触面应力传递强度。值得注意的是此规范提出的接触面应力传递强度的计算方法，对应于两种不同的可能破坏模式，定义了两种接触面应力传递强度值，分别是摩擦滑动决定的强度f_g，sliding和灌浆材料本身破坏决定的强度f_g，shear，取二者的较小值作为接触面应力传递强度代表值f_g。其中f_g，sliding由灌浆材料强度、剪力键高度与间距比和灌浆连接段的径向刚度K决定。而f_g，shear只由灌浆材料强度和剪力键高度与间距比决定。此后的NORSOK^[9]及DNV-OS-J101^[10]规范沿用了这种接触面强度的定义。此外，本规范仍有许多可借鉴之处，如：考虑到灌浆连接段端部的不确定性，提出了“有效灌浆连接段长度”概念，并在规范^[9-10]得到了沿用；规范附录中定义的“早龄期循环”概念也在规范^[3]，[8]得到了沿用。但是，ISO规范仍无法考虑弯矩作用的情况，且与API规范相似，规范限制了灌浆材料单轴抗压强度的适用范围为20 MPa≤f_cu≤80 MPa。

挪威的石油技术法规(NOSORK)《钢结构设计规范^[9]》沿用了ISO规范对于轴力和扭矩联合作用下的灌浆连接段的相关计算，并在此基础上，增加了弯矩和剪力联合作用下灌浆连接段底部压应力值的验算，以防止灌浆材料在接触压力和摩擦力共同作用下，内部出现过大拉应力而发生开裂。但此规范的适用范围是海上石油平台灌浆连接段，涉及“轭板位置”等概念，使其运用到其他领域的灌浆连接段设计验算中具有一定的难度；然而此规范是较少数提出弯矩作用下灌浆连接段验算的规范之一，仍对复杂受力形式下灌浆连接段的设计有巨大的借鉴意义。此外本规范还首次提出了对如下荷载情况下的钢管与灌浆材料接触面剪应力(压应力)进行疲劳极限状态的验算：轴力和交替弯矩联合作用，反复弯矩和剪力联合作用，以及反复扭矩作用；但此规范验算方式与常用规范不同，并未给出疲劳荷载下的S-N曲线，而是需要设计人员提供“100年一遇环境作用弯矩M_{P Env，Sd}、100年一遇环境作用的设计扭矩M_{t Env100，Sd}”，其实质是将疲劳问题转化成等效静力作用下的应力值的验算。

挪威船级社(DNV)《海上风机结构设计规范^[10]》在总的概述中，明确了其适用范围：专门针对海上风机中圆柱形单桩基础、圆台形单桩基础和圆柱形导管架基础的灌浆连接段；指出单桩灌浆连接段有无剪力键均可，但承受轴力时需要设置剪力键或做成圆台形，且不可做成圆台形的同时设置剪力键；增加了对导管架基础的设计验算方法，明确导管架灌浆连接段应当设置剪力键，并将其分成先桩法和后桩法导管架基础，对应不同的设计方法，但实质上这两种灌浆连接段的设计方法完全相同，如图1所示，可以认为将先桩法导管架灌浆连接段上下颠倒即得到后桩法灌浆连接段。如表1所示，DNV规范对极限强度状态下每一种结构形式的不同类型灌浆连接段的不同荷载状况的相关验算进行了详细分类，并给出了灌浆材料的S-N曲线以及不同类型灌浆连接段构件的疲劳极限状态的S-N曲线，基本满足了现阶段海上风机基础灌浆连接段在复杂受力状态下进行设计验算的需要。但是值得注意的是，规范中给出的构件S-N曲线较为保守，一般只可作为满足设计要求，并不能准确的预估灌浆连接段构件的疲劳寿命。

Figure 1.  Grouted Connection in Jacket Structure

如前所述，最新版DNVS-OS-J101(后简称DNV)规范^[10]已可基本满足海上风机基础中灌浆连接段在负载受力状态下的设计验算工作，然而其发展也经历了几个较为明显的阶段。

DNV规范经历了如下几个主要版本的发展：04-06^[11](2004年06月版本，后含义相同)、07-10^[13]、10-10^[17]、11-09^[18]、13-01^[20]、14-05^[10]版本，其中04-06版本在2005年04月(后简称为05-04^[12])进行了修订；07-10版本分别在08-10^[14]、08-12^[15]、09-11^[16]进行了三次修订；10-10^[17]版本是为了配合DNV所有电子版规范的出版发行而推出的，其内容与09-11版本完全相同；11-09版本在11-10^[19]进行了修正；13-01版本因为页眉日期的错误在13-02^[21]推出了勘误版本。

根据各版本规范章节“Sec9.灌浆连接段设计建造”的内容是否做出调整，可将各版本DNV规范划分成如表3所示的4个阶段，现简要说明各阶段设计验算方法。

阶段1对轴力和扭矩联合作用下灌浆连接段的设计验算方法与ISO规范基本相同，只是两种接触面强度值的定义和计算方法不同，在此不做赘述。

然而阶段1版本的DNV规范的准确性却遭到了实践的质疑，如文献^[22]所述，经过此规范设计的已建成海上风机基础无剪力键灌浆连接段在2009—2010年出现了大量滑移破坏病害。故在09-11版本规范变更说明中有：DNV已经明确现有的规范不能完全反映实际灌浆连接段的物理状态，会高估其轴向承载力；DNV已经开始进行试验研究，在得到研究成果并发布新版本的规范以前，需要对每一灌浆连接段都进行具体分析以保证安全^[16]。并且在Sec.9的概述中，增加了对轴向承载力利用率的规定，明确摩擦系数不可超过0.4，如表3所示。

应当明确这种规定只能起到暂时性作用，根据文献^[5]，若满足上述规定，则灌浆连接段长度需要达到直径的30～45倍，这显然无法在实践中运用。

2009年11月至2011年2月，DNV对大直径无剪力键灌浆连接段的承载力进行了试验研究，得到研究报告^[23]，并将研究成果写进了11-09版本规范，明确了此规范只针对单桩基础灌浆连接段设计，导管架灌浆连接段设计需参考NORSOK规范；给出了无剪力键圆柱形及圆台形灌浆连接段抗弯承载能力，以及圆台形灌浆连接段对轴力和扭矩的承载能力的验算方法，而对有剪力键圆柱形灌浆连接段轴力和扭矩承载力的验算仍沿用以前版本，并注明此情况只在无明显弯矩的条件下成立；然而此规定显然与实际单桩基础灌浆连接段受力形式不符，因而此版本规范仍不能完全满足设计人员使用的需要。

为解决11-09版本规范的不足，DNV在2011年2月至2012年5月，进行了新一轮灌浆连接段性能试验研究^[23]，重点研究带剪力键灌浆连接段的抗弯性能；同时，2007—2011年，德国劳氏船级社(GL)联合德国汉诺威大学针对灌浆连接段受力性能分两阶段开展了一系列试验研究^[22]；2013年9月，GL和DNV正式合并为DNV？GL，两方的研究成果得以汇总，为最新版DNV规范^[10]的制定奠定了基础。对最新版本规范的概述已经如前文所示，后文只简述此规范中的重要变化。

对单桩基础，在沿用前一版无剪力键灌浆连接段相关设计验算方法的同时，废除了只承受轴力和扭矩而无明显弯矩作用的有剪力键圆柱形灌浆连接段的相关内容，明确了这类灌浆连接段承在弯矩作用下的理论受力机理和承载力计算方法；规定了此类灌浆连接段中剪力键必须排布在灌浆连接段的中间部位，如图2所示。同时，增加了有剪力键灌浆连接段相对倾斜安装误差的计算公式和整体错位误差的说明，并引用了ISO规范^[8]提出的两种接触面强度的计算方法。值得注意的是，前文中的所有剪力键都为水平剪力键，而规范^[10]为考虑灌浆连接段承受扭矩作用，在灌浆连接段内增加了竖向剪力键，并给出了相关计算公式。在参数方面，重要参数的变动如下：(1)有剪力键的灌浆连接段规定灌浆材料和钢管接触面摩擦系数由0.4变更为0.7，而无剪力键灌浆连接段摩擦系数维持0.7不变；(2)钢管与灌浆材料之间接触压应力的限值从1.2 MPa提高为1.5 MPa。

Figure 2.  Arrangement of Shear Keys in Monopile Grouted Connection

在新增加的导管架基础相关验算中，对于后桩法导管架灌浆连接段，规范明确了套管(sleeve)直径大于桩管直径，即桩管在套管内，如图3所示；因剪力键易引起应力集中，导致灌浆材料的开裂，故灌浆连接段下部受明显弯矩作用影响的l_e/2区段内不宜布置剪力键。对先桩法导管架基础，规范明确了桩腿(Jacket-leg)直径小于桩管；同样，由于剪力键附近的应力集中，灌浆连接段上部受明显弯矩作用影响的l_e/2区段内不宜布置剪力键，其中l_e为弹性长度，其概念来源于温克尔弹性地基的相关理论^[24]。

Figure 3.  Arrangement of Shear Keys in Jacket Structure with Post-installed Pile

在疲劳极限状态的设计中，新增了对带剪力键的圆柱形灌浆连接段疲劳问题的概述，可适用于单桩和导管架中带剪力键的灌浆连接段；并结合有剪力键的单桩和导管架灌浆连接段的极限强度状态验算，分别增加了对应的S-N曲线，为疲劳设计提供了有效依据。

由于我国对灌浆连接段的设计验算尚无较为明确的设计规范，仍需参考国外的相关设计理论。故本文比较了灌浆连接段设计验算中适用的五部规范及推荐做法，并进一步研究了DNV规范的发展历程，可以得到如下的结论：

1)早期在海洋石油平台中的灌浆连接段主要受轴力和扭矩的作用，受力形式较为简单，因而规范的验算方法也比较简单，随着灌浆连接段应用的推广，更加复杂的结构形式和受力形式也使得规范对其验算方法更加精细，规范的适用范围也进一步扩大。

2)最新版DNV规范^[10]结合了最新的试验和理论研究成果，为复杂受力条件下的灌浆连接段抗弯承载力的设计验算提供了最新的方式和手段。因此荷载以弯矩为主的灌浆连接段应当主要参考此规范；而以轴力为主要荷载的灌浆连接段可在适用范围允许条件下，综合参考上述五部规范及推荐做法。

3)最新版DNV规范^[10]给出的灌浆连接段抗弯承载力验算公式具有理论基础，但在公式的理论推导验算中引入了较多的人为假定以简化计算，其可靠性有待进一步的实践验证。

4)目前DNV规范是世界范围内认可度较高的规范之一，有较高的借鉴价值；但是应当注意的是其系列规范会不断结合最新的研究成果，故更新速度较快，需要设计人员不断更新已有知识。本文讨论的DNV规范发展历程，可为复杂受力状态下灌浆连接段的相关设计人员加深对该规范的理解提供帮助。