侯法壘

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司福建分公司，福建?福州?350001）

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有重心高、所受海洋環(huán)境荷載復(fù)雜、承受的水平風(fēng)力和傾覆彎矩較大等特點(diǎn)，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的造價(jià)是影響海上風(fēng)電工程總造價(jià)的主要因素之一。目前，國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)從結(jié)構(gòu)形式上主要有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、多角架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、負(fù)壓桶基礎(chǔ)及浮式基礎(chǔ)[1]。

本文依據(jù)福建某項(xiàng)目，對(duì)導(dǎo)管架的設(shè)計(jì)、應(yīng)用及導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)底部灌漿連接變徑問(wèn)題進(jìn)行分析研究。為避免海生物附著、海水腐蝕等給變徑處帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)泥面以下鋼管樁變徑來(lái)滿(mǎn)足灌漿間隙要求[3]。同時(shí)，對(duì)樁徑變化位置進(jìn)行敏感性分析，得出理想變徑點(diǎn)，為實(shí)際工程提供指導(dǎo)性建議。

1??導(dǎo)管架基礎(chǔ)介紹

導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)借鑒了海洋石油平臺(tái)的概念，導(dǎo)管架基礎(chǔ)根據(jù)樁數(shù)不同可設(shè)計(jì)成三樁、四樁等多樁導(dǎo)管架，其上部采用桁架式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)剛度比三、四腳架基礎(chǔ)剛度更大[4]，適用水深和可支撐的風(fēng)機(jī)規(guī)格大于三、四腳架基礎(chǔ)，適用水深一般在10～50m。水淺區(qū)域?qū)Ч芗芙Y(jié)構(gòu)的造價(jià)高于單樁結(jié)構(gòu)和三、四腳架結(jié)構(gòu)，水深越深，由于基礎(chǔ)具有剛度高的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性就能體現(xiàn)出來(lái)，該基礎(chǔ)形式是固定式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中適用水深最深的一種結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位是塔架與導(dǎo)管架的連接，它控制著結(jié)構(gòu)的剛度與疲勞性能。導(dǎo)管架上部結(jié)構(gòu)的交叉節(jié)點(diǎn)較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)疲勞敏感性高。如圖1所示。

圖1 導(dǎo)管架計(jì)算模型

2??環(huán)境荷載

風(fēng)機(jī)荷載：工程采用某風(fēng)機(jī)廠家提供的塔筒底極限荷載，彎矩214296kN·m，剪力2605kN·m，軸力-7762kN。

水位（1985國(guó)家高程）：設(shè)計(jì)高水位2.2m，設(shè)計(jì)低水位-1.25m，極端高水位3.51m，極端低水位-2.29m。

波浪：50年一遇極端高水位H1%=15.34m，50年一遇極端低水位H1%=13.95m。

海流：工程海域?qū)僬?guī)半日潮流海區(qū)，設(shè)計(jì)流速海床面1.08m/s，0.2H處流速1.39m/s，0.4H處流速1.60m/s，0.6H處流速1.85m/s，0.8H處流速2.13m/s，表層流速2.44m/s。

其他：考慮沖刷5m，泥面以上導(dǎo)管架腐蝕3mm，泥面以下腐蝕1mm[5]。

3??導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

導(dǎo)管架基礎(chǔ)采用四樁形式，弦桿斜度1∶4.75，樁外徑2.5m，布樁半徑24m，樁長(zhǎng)度約為85m。導(dǎo)管架主體與樁連接分底部錐形過(guò)渡和非錐形過(guò)渡形式，對(duì)兩種連接形式的導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。如圖2所示。

圖2 應(yīng)力比結(jié)果

通過(guò)對(duì)兩種形式結(jié)構(gòu)計(jì)算可得，非錐形過(guò)渡桿件UC（桿件應(yīng)力比值）為0.87，錐形過(guò)渡桿件UC為1.50。相比非錐形過(guò)渡連接，錐形過(guò)渡連接在主體結(jié)構(gòu)下部拐角處桿件應(yīng)力有很大升高，結(jié)構(gòu)可靠性降低。

4??樁徑變化位置敏感性分析

海水浸沒(méi)區(qū)，海生物附著、鋼材腐蝕嚴(yán)重等都是結(jié)構(gòu)可靠性的不利因素。為提高結(jié)構(gòu)可靠度，可將泥面以下鋼管樁進(jìn)行變徑，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)與鋼管樁的灌漿間隙要求。針對(duì)該問(wèn)題，下面對(duì)樁徑變化位置進(jìn)行敏感性分析，通過(guò)其導(dǎo)管架桿件強(qiáng)度、節(jié)點(diǎn)沖減強(qiáng)度、基礎(chǔ)頂變形、基礎(chǔ)頂轉(zhuǎn)角變化情況進(jìn)行研究，分析樁基變化位置對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的影響。

首先進(jìn)行極端工況下的靜力分析，得到在泥面下鋼管樁彎矩值變化情況?？梢钥闯觯瑯斗磸濣c(diǎn)在泥面以下10～12m之間（考慮了5m沖刷），即在不考慮沖刷的情況下，反彎點(diǎn)在泥面以下15～17m之間。如圖3所示。

圖3 彎矩變化圖

為滿(mǎn)足灌漿間隙要求，在不改變上部導(dǎo)管架桿件外徑的情況下，鋼管樁上部外徑需由2.5m調(diào)整為2.05m，厚度保持不變。樁徑錐形過(guò)渡角度滿(mǎn)足規(guī)范要求[5]?？紤]插件灌漿的長(zhǎng)度7m，露出泥面部分2m，過(guò)渡錐段長(zhǎng)度2m，故從未沖刷泥面以下深度7m開(kāi)始對(duì)樁徑變化位置進(jìn)行分析研究。

從表2～表6可以看出，導(dǎo)管架主體桿件UC隨樁徑變化位置的深度并沒(méi)有多大變化，偏差小于2%；鋼管樁UC隨變徑位置的加深有所增加，尤其變徑位置超過(guò)反彎點(diǎn)15m左右時(shí)，鋼管樁UC明顯增大，偏差大于11%；節(jié)點(diǎn)沖剪UC隨變徑位置的加深有所增加，整體增加幅度不大，但位置超過(guò)反彎點(diǎn)時(shí)，UC值有較大幅度上升，偏差達(dá)到4%；基礎(chǔ)頂變形隨變徑位置的加深有所增加，整體增加幅度不大，但位置超過(guò)反彎點(diǎn)時(shí)，變形值有較大幅度上升，偏差達(dá)到9%以上；基礎(chǔ)頂轉(zhuǎn)角隨變徑位置的加深有所增加，在位置超過(guò)反彎點(diǎn)時(shí)，變形值有較大幅度上升，偏差達(dá)到5%，位置超過(guò)17m時(shí)出現(xiàn)驟升現(xiàn)象。

表2 桿件UC變化表

表3 樁 UC 變化表

表4 節(jié)點(diǎn)沖剪UC變化表

表5 基礎(chǔ)頂變形變化表

表6 基礎(chǔ)頂轉(zhuǎn)角變化表

通過(guò)上述結(jié)果可以看出，鋼管樁樁徑變化在不超過(guò)反彎點(diǎn)深度的情況下，導(dǎo)管架及樁的受力情況變化不大，可變徑位置深度一旦超過(guò)反彎點(diǎn)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)明顯增大，結(jié)構(gòu)可靠性降低。

5??結(jié)論

導(dǎo)管架基礎(chǔ)適用水深較深海域，因深水區(qū)域海況往往更復(fù)雜危險(xiǎn)，提高基礎(chǔ)可靠性至關(guān)重要。導(dǎo)管架主體結(jié)構(gòu)需通過(guò)灌漿與鋼管樁連接，為滿(mǎn)足連接間隙要求，需對(duì)鋼管柱進(jìn)行變徑或?qū)Σ寮M(jìn)行變徑。在海水浸沒(méi)區(qū)，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重，不確定性因素多，應(yīng)盡量避免在導(dǎo)管架浸沒(méi)區(qū)進(jìn)行插件變徑，盡可能將錐形過(guò)渡放于泥面以下，降低損壞風(fēng)險(xiǎn)，故可以對(duì)鋼管樁頂端進(jìn)行變徑，以滿(mǎn)足灌漿間隙要求。從本文敏感性分析研究可以得出，鋼管樁變徑位置不超過(guò)樁反彎點(diǎn)的情況下，對(duì)鋼管樁進(jìn)行變徑以實(shí)現(xiàn)灌漿連接是可行的，該方式既可以降低導(dǎo)管架底部的連接風(fēng)險(xiǎn)，又一定程度降低了鋼管樁的工程量，對(duì)實(shí)際工程有一定的指導(dǎo)意義。