海上自立式测风塔基础连接节点分析

王子俊 方孝伍 张强林

(福建省电力勘测设计院发电公司 福建福州 350001)

0 引言

近年来，随着我国经济的高速发展，能源的安全压力和环保要求日益增大，我国大力鼓励支持发展可再生能源，海上风电高速发展，而开发海上风电首要的问题就是对风能资源的观测工作，建立海上测风塔是观测的必要前提。

海上测风塔形式多种多样，目前国内最常见的基础形式是先打桩，而后在水上焊接支撑安装平台，这种方式存在的最大问题是水上焊接的施工质量很难保证，而对于水深浅，风浪小的地区尚可，对水深大，风浪大的地区，可采用同风机基础一样的导管架基础形式。在打入桩后，整体吊装导管架平台，将平台腿杆插入钢管桩内，再进行灌浆连接，或是用抱箍连接的方式代替原来的焊接方式，形成支撑平台。这两种形式对于恶劣的海况条件来说，可一定程度上减少水上焊接的工作量。但这两种方式关键的问题是灌浆连接节点或抱箍连接节点的设计和施工，根据以往工程经验，此连接节点往往是设计和施工的重点和难点。在一些国外工程中，在此节点也出现过工程问题，并导致规范做出了相应的调整。本文将结合实际工程，就这两种节点形式予以计算对比分析。

1 工程概况及整体分析

此测风塔建设工程是海上风电场建设的前期工程，位于福建省台湾海峡海域，塔高100m，原状泥面水深约28m。上部塔架采用三腿钢桁架结构形式，下部基础采用三桩导管架结构。将预先加工好的钢桁架平台通过灌浆连接或抱箍连接的方式同打入海底的3根钢管桩有效连接，形成荷载传递。采用大型海工有限元软件SCAS建模分析 ，计算模型如图1所示。

图1 测风塔基础整体模型

导管架腿与钢管桩连接的灌浆段长度为3.5m，钢管桩直径1.8m，灌浆段钢管壁厚40mm；导管架主腿直径1.6m，灌浆段钢管壁厚35mm，钢材为Q345B，灌浆料采用高强灌浆料；导管架灌浆连接示意图如图2所示。

图2 导管架灌浆连接示意图

经SCAS整体建模计算分析，考虑上部塔架所受风荷载及基础所受风浪流荷载的灌浆节点内力如表1所示。

表1 灌浆节点内力表

由此可见，测风塔导管架平台与桩腿之间的灌浆节点主要受力形式为拉弯或压弯，承受轴向力与弯矩为主，灌浆类型属于设置剪力键的先打桩式导管架基础灌浆连接。

沿钢管桩轴向方向的轴力主要由剪力键来承担，弯矩由灌浆体及钢管桩共同承担。

2 灌浆连接设计

挪威船级社(DNV)在与德国劳氏船级社(GL)合并后，推出DNVGL-ST-0126-2016[1]，该规范吸收了DNV和GL的最新成果，对灌浆连接的设计验算做了大量的更新和补充，在国内暂无明确相关现行规范的背景下，此规范具有很大的参考意义。

拟定设计参数：S=300mm,w=25mm,h=12.5mm,L=3500mm,Rp=900mm,tp=40mm,RJL=800mm,tJL=35mm，如图3所示。

图3 灌浆连接处尺寸图

其中，设置剪力键灌浆材料的抗剪能力标准值为：

经计算，得：

径向刚度系数k=0.01 163

fbk=1.842MPa

注意，规范规定剪力键灌浆材料的抗剪能力不能超过灌浆材料所允许的抗剪强度fbk2：

有，fbk2=2.82 654MPa>1.842MPa

剪力键单位长度的设计承载力Fvshkcap,d:

而导管架腿与桩基的单个剪力键沿圆周单位长度所受荷载分别为：

两者均小于Fvshkcap,d，灌浆体双侧剪力键强度均满足要求。

其中，规范中对n给出的注释为有效剪力键个数，经过大量的计算对比以及有限元模拟发现，“有效”的核心含义是内外侧形成的剪力键对间的浆体形成了受压短柱。

钢管桩的弹性长度le及支撑弹簧刚度krD如下：

其中，krD=16 004.6MPa，le=13.4mm，则有，设计弯矩和水平剪力引起的灌浆料底部接触压力为：

其中,从SCAS中提取：M=11507.3kN·m;Q=308.1kN，则有，Pnom,d=1.4883MPa.<1.5MPa，满足接触压力要求；

构造要求如下：

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,满足要求；

10≤Dg/tg=28.67≤45,10≤Rp/tp=22.5≤30,15≤RJL/tJL=22.86≤70,均满足构造要求；

Lg=3380mm，Lg/Dp=1.878,Lg/Djl=2.113,均满足构造要求。

规范中建议若Lg/Dx<2.5，可按单桩方法校核灌浆长度，考虑到导管架方法其实并未考虑到弯矩对剪力键的影响，且有效灌浆长度Lg并未直接参与计算，故用单桩灌浆节点算法进行复核：

剪力键周围的灌浆连接单位长度的有效弹性刚度Keff=4702.917；

弯矩引起的接触压力pnom=1.299MPa<1.5MPa，满足要求。

由弯矩和竖向力传递到剪力键沿各单位圆周长度的作用力：

单个剪力键的作用力则为：2893/11=263.01kN。

故Fvshk,d

以上分析均是基于规范的公式，其实是一种工程经验的总结，对于灌浆段的应力应变表现，只有通过有限元建模分析得到。

分析过程中，接触单元的选择、刚度的取值以及单元网格的划分是计算结构收敛的关键所在，有许多学者做了相关的研究[2]，本文不再赘述。

3 抱箍连接设计及优缺点对比

钢管桩直径为1800mm打入海底，平台结构所有的支撑焊接在直径为1840mm，厚度为20mm的抱箍上，抱箍有两部分半圆组成，抱箍间使用螺栓连接。钢材采用Q345B，螺栓采用M30X160高强螺栓，抱箍连接示意图如图4所示。

图4 抱箍连接节点示意图

由SCAS建模分析得出，此节点的最大拉力为：1234.2kN(包括钢构件自重的反力)，单个10.9级高强螺栓M30的容许拉力为583kN。一组螺栓能提供的抗力为：6996kN>1234.2kN，满足强度要求；需要注意的是，由于施工误差的不可避免性，此处会产生一定的初始应力，在对螺栓进行强度设计时，需要考虑此部分的安全余量。

其实，不管是灌浆形式，还是抱箍形式，各有其优势，又各有其不足，二者优缺点对比如表2所示。

表2 不同连接形式的优缺点对比[3]

另外，针对抱箍连接方式对于施工安装精度要求较高的缺陷，总结之前的工程设计经验。可以采用取消斜撑，增加水平撑的数量来弥补结构的整体刚度的改进形式，这种经过改进的连接方式将会更加便于施工和安装，但考虑到水平撑相较于斜撑对结构内力的吸收作用较弱，需要重点考虑节点的冲剪强度校核，根据以往经验，此类形式只适用于水深较浅的情况。

经过综合考虑，该工程最终采用了抱箍连接的方式进行基础设计。

4 结论

(1)海上测风塔基础整体静强度计算多为抗拔控制，由于构件尺寸的增大或构件数量的增加将会导致波浪力也相应有所增大，因此测风塔基础结构并非主体构件越大、支撑构件越多，基础安全度就越高，需要合理的考虑和布置支撑构件。

(2)灌浆连接应充分考虑到剪力键和灌浆料的强度要求以及结构的构造要求，目前国内尚无较为明确的设计规范，主要参考DNVGL-ST-0126-2016规范作为设计依据。

(3)灌浆节点连接和抱箍连接各有优劣，工程设计中，应根据具体工程的海洋水文及地质条件，结合两种连接方式各自的优缺点，选取适宜的连接方式。

参考文献

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

[2] 武江, 张略秋，刘福来. 某海上测风塔灌浆连接设计 [J]. 山西建筑，2013，39(35)：49-50.

[3] 黄立维,邢占清，张金接. 海上测风塔基础与承台灌浆连接技术 [J]. 水利水电技术，2009，40(9)：85-87.