李 煒，卞恩林，仲偉秋，方 滔，姜鵬賓，徐 江

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 310014； 2. 華東海上風電省級高新技術(shù)企業(yè)研究開發(fā)中心，浙江杭州 310014； 3. 國華能源投資有限公司，江蘇鹽城 224000； 4. 大連理工大學司法鑒定中心，遼寧大連 116024； 5. 大連理工大學土木工程學院，遼寧大連 116024)

海洋風能屬于清潔可再生能源，海上風電場在歐洲推廣取得了巨大的經(jīng)濟價值。我國海上風能資源可開發(fā)量巨大，在陸上風電得到快速發(fā)展的同時，海上風電的開發(fā)也已展開。

海洋結(jié)構(gòu)物與基礎連接過渡形式的研究已取得快速發(fā)展，在國外的應用也已較為成熟[1]。灌漿連接的構(gòu)造形式廣泛應用于海上風機基礎中。此種連接形式受力行為的研究在國外已較充分，但其研究成果主要限制在受力性能較低的灌漿料中[2-3]。支撐風機的基礎結(jié)構(gòu)是保證風電場正常運營的關(guān)鍵部位，針對海上風機基礎結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)展開[1，4-7]。單樁基礎是歐洲海上風電場的主導基礎結(jié)構(gòu)型式，以其構(gòu)造簡單、受力明確等優(yōu)點得到廣泛應用。單樁基礎直徑動輒4 m甚至更大，上部塔筒與基礎結(jié)構(gòu)通常以灌漿連接段相連，因此，灌漿連接段的優(yōu)化設計及力學特性研究成為一項關(guān)鍵內(nèi)容。國外已形成明確的設計規(guī)范[8-10]。然而對于國內(nèi)而言，海洋開發(fā)尚處于起步階段，研究涉及灌漿連接段在軸向荷載、水平向荷載(含彎矩)、扭轉(zhuǎn)荷載的靜載荷及循環(huán)荷載作用下的承載性能、變形、疲勞特性等方面，多為介紹引進或在其基礎上作引申研究[11-14]，試驗研究尚未深入展開。

1 軸向靜載荷試驗

1.1 試件設計

以某大直徑單樁基礎為主要研究對象，樁徑4.5～6.2 m，壁厚50～70 mm，樁長76 m，入土47.5 m。4組模型按單樁基礎連接段的原型設計尺寸1:10的縮尺比例進行設計。鋼管外徑與壁厚、連接段長度均按該比例進行縮尺，由于縮尺之后，環(huán)形空間灌漿厚度不滿足規(guī)范的要求，所以在DNV的要求之內(nèi)，設定一個灌漿厚度。剪力鍵的尺寸與間距均按前面優(yōu)化結(jié)果設定，考慮到剪力鍵按1:10縮尺后太小，選擇剪力鍵為寬10 mm，高5 mm，間距125 mm，符合DNV規(guī)范要求。

模型在尺寸上與實際工程的連接段存在相似性，而且模型材料也選用實際工程的材料，使模型的彈性模量、泊松比、最大拉應力、最大壓應力與實際相符。在選取縮尺比例時，一方面估計了模型最大應變和最大水平位移值能否被測到，并保證足夠的精度，同時，也考慮了加載條件和試驗臺架以滿足試驗要求。由于模型與原型符合相似條件，且模型材料選擇恰當，模型制作滿足要求，加載方法也與原型相似，量測技術(shù)滿足一定的精度，所以經(jīng)縮尺后的模型能較好地模擬實際連接段。

灌漿材料相關(guān)參數(shù)為：抗拉強度7 MPa，抗壓強度130 MPa，彈性模量55 GPa，泊松比0.19，本構(gòu)模型為KINH。鋼材選取Q345，卷扎成符合設計要求的鋼管并焊接。剪力鍵按設計尺寸將其切割成矩形斷面的鋼條。焊條選取J422-3.2普通焊條，手工焊接。試件按照灌漿連接段長度及是否設置剪力鍵，區(qū)分為4種：較短無剪力鍵、較短有剪力鍵、較長有剪力鍵、錐形有剪力鍵，分別以A，B，C，D表示。試件設計參數(shù)見表1及圖1。

表1 試件設計參數(shù)Tab.1 Parameters of the specimens

A B C D圖1 模型試驗試件(單位: mm)Fig.1 Specimens of the model test (unit: mm)

1.2 加 載

本試驗使用1 000 t壓力試驗機實施加載(圖2)，分級施加軸向荷載。采用力與位移聯(lián)合控制加載過程，對于力控制階段的加載速率選取1 200 kN/min，對于位移控制階段的加載速率根據(jù)試件在加載過程中的位移及荷載變化情況在區(qū)間0.01～0.06 mm/min內(nèi)取值，約為力控制速率的1/3～1/5，并設定一個較低的力終止值。最大程度反映試件受力變形過程。加載歷程如圖3所示。

圖2 加載設備 圖3 加載示意 Fig.2 Loading facility Fig.3 Loading process

1.3 量測內(nèi)容及試驗過程

本試驗應用IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，實時顯示各個采集數(shù)據(jù)值和整體變化曲線。

量測內(nèi)容：(1)荷載F(kN)：采用200 t荷載傳感器，采集施加荷載值；(2)位移u(103μm)：沿試件高度方向間距布置滑式電阻位移計(最上和最下兩道剪力鍵處)，采集加載過程中試件的位移值。

2 試驗結(jié)果及分析

荷載位移曲線如圖4所示。根據(jù)位移計標定，試件實際位移為圖中值除以50。不同試件之間通過對比其荷載-位移曲線(頂部)得到其性能差異(如圖4(e)～(g))。

(1)試件A：由圖4(a)可見，試件從加載到大約350 kN位移幾乎無變化維持在零左右，可以認為試件無傷害，且無相對滑移；當荷載超過350 kN時試件位移迅速增大且荷載位移曲線幾乎為直線；在荷載約為350 kN時，荷載出現(xiàn)突然減小，而后繼續(xù)增大，可以認為試件依靠摩擦力承載直至產(chǎn)生一個很大的位移停止。

(2)試件B：由圖4(b)可以看出，試件位移隨著加載歷程均勻變化，當加載方式轉(zhuǎn)換后，其變化率基本維持不變；且其前段的變化率小于上部前段變化率。

(3)試件C：由圖4(c)可以看出，試件上部位移隨荷載基本呈線性變化，而下部位移在荷載達到約600 kN之前基本不變，超過600 kN后下部位移隨荷載基本呈線性變化，下部荷載位移曲線斜率很小，位移增長速率緩慢。

(4)試件D：由圖4(d)可以看出，其上端位移均基本屬于線性變化，下部位移變化率在約100 kN處和上端相近，而后位移變化緩慢。

由圖4(e)可見，當荷載小于約350 kN時，試件A和B變形基本一致，而當荷載超過此值后試件A位移增加很快，試件基本失效，而試件B位移基本遵循線性變化且變化率基本和前段一致。可以認為后者受力性能優(yōu)于前者。

由圖4(f)可見，當荷載小于1 400 kN時，試件C和B變形基本呈線性變化，且變化率一致，而當荷載超過1 400 kN后，后者的位移增長速率是前者的3～5倍，可以認為，對于較大的荷載，前者較優(yōu)。

由圖4(g)可見，當荷載小于1 400 kN時，試件B和D變形基本呈線性變化，且前者的變化率約為后者的1/2～2/3左右，當荷載超過1 400 kN后，前者的變化率約為后者的2倍，可以認為荷載較小時前者優(yōu)于后者，荷載較大時后者優(yōu)于前者。

(a) 試件A頂部與底部 (b) 試件B頂部與底部

(c) 試件C頂部與底部 (d) 試件D頂部與底部

(e) 試件A與B (f) 試件B與C (g) 試件B與D圖4 荷載-位移曲線Fig.4 Load-deformation curves

3 結(jié) 語

(1)單個試件在軸向荷載作用下，較短無剪力鍵試件軸向承載力最低，且破壞開始意味著破壞終止，為明顯脆性破壞；較短有剪力鍵試件軸向承載力較強，變形性能較強；較長有剪力鍵試件軸向承載力較高，內(nèi)部在加載過程中局部破壞嚴重；錐形有剪力鍵試件軸向承載力較強，局部破壞嚴重。

(2)較短有剪力鍵試件軸向承載力高于較短無剪力鍵試件；荷載較小時，較長有剪力鍵試件和較短有剪力鍵試件受力性能相當，但當荷載超過一定值，較短有剪力鍵試件位移增加速率大于較長有剪力鍵試件；試件D變形較較短有剪力鍵試件均勻。

(3)較短無剪力鍵試件承載力主要取決于套管與灌漿結(jié)石體的粘接強度。建議嘗試對樁套管外表面及外套管內(nèi)表面進行噴砂等工藝處理，以提高粘接強度。

(4)如何使較短有剪力鍵試件沿高度方向受力均勻，是提高其受力性能的主要措施，同時建議探索其他剪力鍵截面形式，以使截面剛度平穩(wěn)變動以降低應力集中程度。

(5)對于較長有剪力鍵試件，建議合理設置剪力鍵參數(shù)以及連接段長度使其受力沿連接段長度均勻；對于錐形有剪力鍵試件，建議減小錐形擴底直徑，同時可以嘗試分段擴底以實現(xiàn)平緩過渡。

參 考 文 獻：

[1]KUO Y-S， ACHMUS M， KAO C S. Practical design considerations of monopile foundations with respect to scour[C]∥Global Wind Power 2008， Peking： 104.

[2]KRAHL N W， KARSAN D I. Axial strength of grouted pile-to-sleeve connections[J]. Journal of Structural Engineering， 1985， 111(4)： 889-905.

[3]ANDERS S. Betontechnologische einflüsse auf das tragverhalten von grouted joints[D]. Hannover：Hannover University， 2008. (in German)

[4]LI Wei. Comparative study of pile-soil interaction analysis methods[J]. Applied Mechanics and Materials， 2012： 246-251.

[5]李煒， 趙生校， 周永， 等. 海上風機基礎大直徑加翼單樁常重力模型試驗研究[J]. 土木工程學報， 2013， 46(4)： 124-132. (LI Wei， ZHAO Sheng-xiao， ZHOU Yong， et al. 1g-model test of large diameter monopile with wings for offshore wind turbine[J]. China Civil Engineering Journal， 2013， 46(4)： 124-132. (in Chinese))

[6]李煒， 李華軍， 鄭永明. 海上風電基礎結(jié)構(gòu)大直徑鋼管樁水平靜載荷試驗數(shù)值仿真[J]. 水利水電科技進展， 2011， 31(4)： 69-72. (LI Wei， LI Hua-jun， ZHENG Yong-ming. Numerical simulation of horizontal load test on large-diameter steel piles for offshore wind turbines [J]. Advances in Science and Technology of Water Resources， 2011， 31(4)： 69-72. (in Chinese))

[7]李煒， 鄭永明， 孫杏建， 等. 加裝穩(wěn)定翼的海上風電大直徑單樁基礎數(shù)值仿真[J]. 水利水運工程學報， 2012(3)： 56-63. (LI Wei， ZHENG Yong-ming， SUN Xing-jian， et al. Numerical simulation of a new type of large-diameter monopile with wings for offshore wind turbine structure[J]. Hydro-Science and Engineering， 2012(3)： 56-63. (in Chinese))

[8]American Petroleum Institute. Recommended practice for planning， designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design(21st edition)[S].

[9]United Kingdom Department of Energy. Report of the working party on the strength of grouted pile sleeve connections for offshore structures[R]. Wimpey Laboratories， Ltd， 1980.

[10]DNV-OS-J101， Design of offshore wind turbine structures[S].

[11]韓瑞龍， 施衛(wèi)星， 周洋. 灌漿套筒連接技術(shù)及其應用[J]. 結(jié)構(gòu)工程師， 2011， 27(3)： 149-153. (HAN Rui-long， SHI Wei-xing， ZHOU Yang. Grout sleeve connection and relevant applications[J]. Structural Engineers， 2011， 27(3)： 149-153. (in Chinese))

[12]趙媛媛， 蔣首超. 灌漿套管節(jié)點技術(shù)研究概況[J]. 工業(yè)建筑， 2009， 39(增1)： 514-517. (ZHAO Yuan-yuan， JIANG Shou-cao. A general view of research on grouted tubular connections[J]. Industrial Construction， 2009， 39(Suppl1)： 514-517. (in Chinese))

[13]黃立維， 楊鋒， 張金接. 海上風機樁基礎與導管架的灌漿連接[J]. 水利水電技術(shù)， 2009， 40(9)： 39-45. (HUANG Li-wei， YANG Feng， ZHANG Jin-jie. Grouting connection between pile foundation and jacket for offshore wind turbine[J].Water Resource and Hydropower Engineering， 2009， 40(9)： 39-45. (in Chinese))

[14]宋礎. 海上風力發(fā)電機塔架與基礎的連接[J]. 山西能源與節(jié)能， 2010(2)： 46-49. (SONG Chu. Connection of offshore wind turbine tower and base[J]. Shanxi Energy and Conservation， 2010(2)： 46-49. (in Chinese))