吳兆旗，游先輝，王根梁，單寧康

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引言

灌漿連接由兩個(gè)不同直徑鋼管進(jìn)行嵌套連接，并在兩根鋼管之間形成的環(huán)形空間內(nèi)灌注水泥基高強(qiáng)灌漿材料.灌漿連接通過管壁和灌漿體之間的剪切和摩擦傳遞內(nèi)力.在海洋環(huán)境中，工程的實(shí)施不僅受到風(fēng)、浪、濕度、強(qiáng)腐蝕等環(huán)境因素的影響，還受到施工工藝的影響.特別是樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間的連接需要在水下完成時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)連接.灌漿連接具有整體性好、施工方便、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用.越來越多的海上平臺(tái)和結(jié)構(gòu)正在以這種方式連接，如采油平臺(tái)、跨海橋梁、海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)等.隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，灌漿連接已逐漸應(yīng)用于海上風(fēng)電電力基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu).

由于灌漿連接本身的復(fù)雜性和連接問題的重要性，國外學(xué)者在19世紀(jì)70年代便開始著手研究灌漿連接在海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處的受力性能，所以在積累了大量模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，美國、英國和挪威等國相繼出臺(tái)了針對(duì)海上風(fēng)電平臺(tái)灌漿連接性能研究的設(shè)計(jì)規(guī)范.經(jīng)過幾十年來的實(shí)踐改進(jìn)，便形成了相對(duì)完整的一套體系.

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)60個(gè)灌漿連接試件并對(duì)其進(jìn)行軸向荷載受壓試驗(yàn)，收集結(jié)合早期試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果共450個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析建立粘結(jié)強(qiáng)度和這些參數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式.提出粘結(jié)強(qiáng)度主要分為摩擦受力與剪力鍵受力，粘結(jié)強(qiáng)度與灌漿體抗壓強(qiáng)度的平方根成正比.在考慮材料特性和海上施工條件不確定性的條件下，提出使用6.0的整體安全系數(shù)是較為合理的.文獻(xiàn)[2]進(jìn)行147個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的比較，包括62項(xiàng)普通連接試驗(yàn)(無剪力鍵)和85項(xiàng)帶剪力鍵連接試驗(yàn).結(jié)果表明，對(duì)于具有剪力鍵的灌漿連接試驗(yàn)而言，API規(guī)范公式比HSE規(guī)范公式具有更高的安全指數(shù)，API規(guī)范公式的平均安全系數(shù)略大于HSE規(guī)范公式.通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，API規(guī)范公式的最小個(gè)體安全系數(shù)為2.5，而HSE規(guī)范公式的最小個(gè)體安全系數(shù)為1.4.文獻(xiàn)[3]提出一個(gè)灌漿連接軸力傳遞計(jì)算公式并寫入API規(guī)范中.將設(shè)計(jì)公式與71個(gè)無剪力鍵連接段試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出平均安全系數(shù)為8.25，最小安全系數(shù)為2.44，安全指數(shù)為3.96；與84個(gè)設(shè)置剪力鍵連接試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，得出平均安全系數(shù)為5.05，最小安全系數(shù)為2，安全指數(shù)為4.80.

文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了51個(gè)帶剪力鍵灌漿連接試件的試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，API(2007)規(guī)范公式在分析灌漿連接在軸向受力時(shí)具有良好的可靠性，但對(duì)其承載性能的預(yù)估卻是嚴(yán)重低估，容易產(chǎn)生不經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)果；DNV-GL(2016)規(guī)范公式對(duì)于灌漿連接適用性較好，雖然在灌漿連接抗剪強(qiáng)度較高情況下會(huì)產(chǎn)生低估承載力情況，但總體而言該方法得到結(jié)果安全可靠.文獻(xiàn)[5]通過模型試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬分析，認(rèn)為目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如DNV、NORSOK、ISO和API可以使高強(qiáng)度灌漿連接件的安全設(shè)計(jì)達(dá)到2.4～4.5的安全系數(shù).然而，由于設(shè)計(jì)方程不能考慮極限狀態(tài)下鋼的屈服約束，因此需要進(jìn)一步的研究來代替現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方程.

綜上可知，近年來海上風(fēng)電發(fā)展迅速，不斷有學(xué)者進(jìn)行灌漿連接試驗(yàn)研究與規(guī)范公式分析，因此有必要收集近年來國內(nèi)外學(xué)者所做試驗(yàn)及其結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)參數(shù)研究現(xiàn)狀，并基于此，對(duì)常用規(guī)范設(shè)計(jì)公式安全性進(jìn)行分析，為我國海上風(fēng)電建設(shè)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo).

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫建立與參數(shù)分析

1.1 數(shù)據(jù)庫建立

圖1 灌漿連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of grouted connection

通過收集整理國內(nèi)外文獻(xiàn)，獲得設(shè)置剪力鍵形式灌漿連接軸向性能的相關(guān)文獻(xiàn)26篇，并整理出404個(gè)試件的構(gòu)造參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)[1-3, 5-27].剔除數(shù)據(jù)庫中253個(gè)無法獲取完整參數(shù)信息試件，文獻(xiàn)[26]中一共測(cè)試了54個(gè)試件，但由于每組試驗(yàn)結(jié)果(每組3個(gè)試件)僅列出1個(gè)平均試驗(yàn)結(jié)果值，得到有效試件測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)量為18個(gè).因此最終建立的數(shù)據(jù)庫中共有115個(gè)有效試件.

1.2 試驗(yàn)參數(shù)分析

灌漿連接的設(shè)計(jì)通常如圖1所示，其中t為鋼管樁壁厚，h為剪力鍵高度，s為剪力鍵間距，D為鋼管樁外徑. 通過統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)表1中各規(guī)范設(shè)計(jì)公式參數(shù)取值范圍，得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中不同參數(shù)真實(shí)分布情況. 這些參數(shù)包括樁管徑厚比Dp/tp、套管徑厚比Ds/ts、灌漿材料徑厚比Dg/tg、灌漿材料厚度tg、灌漿材料抗壓強(qiáng)度fcu、長徑比Lg/Dp、剪力鍵高度h、剪力鍵間距s、剪力鍵高距比h/s、剪力鍵寬高比w/h.其中，Dp為樁管直徑，Rp為樁管半徑，tp為樁管厚度，Ds為套管直徑，ts為套管厚度.

表1 各規(guī)范設(shè)計(jì)公式適用的參數(shù)取值范圍

在所收集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中，灌漿連接段試件參數(shù)分布范圍見圖2.

圖2 數(shù)據(jù)庫灌漿連接段試件參數(shù)分布范圍Fig.2 Parameter range distribution of grouted connection in database

由圖2可知，現(xiàn)有試驗(yàn)研究中超過50%的試件套管直徑低于400 mm, 且對(duì)于試件套管直徑超過800 mm的研究僅有一項(xiàng)，采用較大直徑進(jìn)行灌漿連接載荷試驗(yàn)的有Lee等[5]、Billington等[6]和You等[27]，試件共計(jì)14個(gè)，套管直徑為580～1 524 mm；樁管徑厚比、套管徑厚比的選擇為低徑厚比，缺少高徑厚比下灌漿連接試驗(yàn)研究，其中樁管徑厚比在45～60 mm范圍內(nèi)無相關(guān)試驗(yàn)研究；灌漿厚度的選擇大部分不符合主要規(guī)范使用范圍，且主要集中于低灌漿厚度；灌漿材料抗壓強(qiáng)度的選擇大部分為低抗壓強(qiáng)度，雖滿足大部分規(guī)范公式適用范圍，但不利于實(shí)際工程實(shí)踐運(yùn)用；連接段長徑比的選擇大部分為低長徑比，主要集中于0～3范圍內(nèi)；剪力鍵高度的選擇大部分為低剪力鍵高度，主要集中于1～3 mm范圍內(nèi)，且大部分不滿足DNV-GL(2018)規(guī)范設(shè)計(jì)要求；剪力鍵間距的選擇大部分為低剪力鍵間距，主要集中于0～100 mm范圍內(nèi)，其中各規(guī)范并沒有對(duì)剪力鍵間距進(jìn)行直接范圍規(guī)定，因此可參考剪力鍵高距比的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果；剪力鍵高距比的選擇大部分符合各規(guī)范設(shè)計(jì)要求，主要集中于0～0.08范圍內(nèi)，且對(duì)于規(guī)范公式適用范圍之外的剪力鍵高距比也存在相關(guān)試驗(yàn)研究；剪力鍵高寬比的選擇主要集中于1和2附近，即剪力鍵形狀基本滿足各規(guī)范設(shè)計(jì)要求.

2 規(guī)范設(shè)計(jì)公式安全性

通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫中試件試驗(yàn)強(qiáng)度值、各規(guī)范公式設(shè)計(jì)值及其二者之比計(jì)算所有試件試驗(yàn)安全系數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析各規(guī)范公式下試驗(yàn)安全系數(shù)值的分布，評(píng)估各規(guī)范承載力設(shè)計(jì)公式的安全性.

規(guī)范DNV-GL(2018)、NORSOK(2013)和ISO(2007)中灌漿連接段承載力設(shè)計(jì)公式基于荷載抗力系數(shù)法(LRFD)，公式考慮剪力鍵附近的滑動(dòng)、破碎，以及灌漿材料產(chǎn)生斜裂縫而導(dǎo)致的剪切破壞.設(shè)置剪力鍵圓形灌漿連接段只考慮承載力極限狀態(tài)時(shí)，規(guī)范取材料系數(shù)γ=2，得到試驗(yàn)強(qiáng)度值與設(shè)計(jì)值的比值γ0柱狀圖如圖3所示.

圖3 各規(guī)范安全系數(shù)分布Fig.3 Distribution of factor of safety

從圖3(a)可看出，DNV-GL(2018)規(guī)范試驗(yàn)安全系數(shù)γ0在0.46～12.27之間浮動(dòng)，γ0大于2的試件占總試件的83%，試件在γ0=3左右處的數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.39，即γ0分布離散性較??；試驗(yàn)平均安全系數(shù)為6.98.因此，利用DNV-GL(2018)規(guī)范設(shè)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果具有較高安全裕度.

從圖3(b)可看出，NORSOK(2013)規(guī)范試驗(yàn)安全系數(shù)γ0在0.44～13.72之間浮動(dòng)，γ0大于2的試件約占總試件的80%，試件在γ0=2左右處的數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.29，即試驗(yàn)安全系數(shù)γ0分布離散性較小，試驗(yàn)平均安全系數(shù)為4.45.因此，利用NORSOK(2013)規(guī)范設(shè)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果具有良好的安全裕度.

從圖3(c)可看出，ISO(2007)規(guī)范試驗(yàn)安全系數(shù)γ0在0.38～13.72之間浮動(dòng)，γ0大于2的試件約占總試件的80%，試件在γ0=2左右處的數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.45，即試驗(yàn)安全系數(shù)γ0分布離散性較小，試驗(yàn)平均安全系數(shù)為4.15.因此，利用ISO(2007)規(guī)范設(shè)計(jì)公式計(jì)算結(jié)果具有良好的安全裕度.

美國石油協(xié)會(huì)API(2007)設(shè)計(jì)規(guī)范公式基于容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法(ASD)，沒有明確區(qū)分上述故障模式，考慮一定的安全系數(shù)得到正常工況下和極端工況下荷載傳遞應(yīng)力容許值.

從圖3(d)可看出，API(2007)設(shè)計(jì)規(guī)范正常工況下試驗(yàn)安全系數(shù)γ0在0.55～16.65之間浮動(dòng)，γ0大于2的試件達(dá)到了總試件的85%，但γ0大于6的試件只達(dá)到了總試件的33%，γ0在1～6范圍內(nèi)的試件數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.37，即γ0分布離散性較小，試驗(yàn)平均安全系數(shù)為5.47，安全裕度較低.

從圖3(e)可看出，API(2007)設(shè)計(jì)規(guī)范極端工況下試驗(yàn)安全系數(shù)γ0在0.41～12.44之間浮動(dòng)，γ0大于2的試件達(dá)到了總試件的80%，γ0大于6的試件達(dá)到了總試件的21%，γ0在2～5范圍內(nèi)的試件數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=2.52，γ0分布離散性一般，試驗(yàn)平均安全系數(shù)為4.08，安全裕度較低.

英國健康與安全執(zhí)行局HSE(2001)設(shè)計(jì)規(guī)范公式采用的安全系數(shù)考慮荷載條件，在運(yùn)行情況下，安全系數(shù)γ取6.0.從圖3(f)可看出，試驗(yàn)安全系數(shù)γ0在0.46～8.35之間浮動(dòng)，γ0大于2的試件達(dá)到了總試件的89%，但γ0大于6的試件只達(dá)到了總試件的20%，γ0在3～6范圍內(nèi)的試件數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=1.87，試驗(yàn)安全系數(shù)γ0分布離散性較小.試驗(yàn)平均安全系數(shù)為4.26，公式計(jì)算結(jié)果安全性為各規(guī)范中最低.

3 結(jié)語

1) 通過分析115個(gè)試件的構(gòu)造參數(shù)，發(fā)現(xiàn)基于灌漿厚度、套管徑厚比、灌漿材料徑厚比和剪力鍵高距比等滿足規(guī)范要求的情況下的較大直徑高強(qiáng)灌漿連接試驗(yàn)研究成果甚少，亟需開展大直徑高強(qiáng)灌漿連接段的研究工作.

2) 規(guī)范DNV-GL(2018)試驗(yàn)平均安全系數(shù)為6.98，相比其他規(guī)范平均安全系數(shù)最高，安全裕度較大，且對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.29，離散性較??；HSE(2001)試驗(yàn)平均安全系數(shù)為4.26，標(biāo)準(zhǔn)差為1.87，雖然離散性較小，但公式計(jì)算結(jié)果安全性相比各規(guī)范中最低.

3) 各規(guī)范設(shè)計(jì)公式對(duì)灌漿連接軸向承載力預(yù)測(cè)結(jié)果不盡相同，HSE(2001)設(shè)計(jì)規(guī)范公式由于公式參數(shù)設(shè)置具有局限性，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果安全性偏低.而DNV-GL(2018)設(shè)計(jì)規(guī)范公式在各公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比中安全性好高、適用性廣和經(jīng)濟(jì)性好，推薦海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)灌漿設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮采用DNV-GL(2018)規(guī)范.