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。

海洋結構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]。支撐風機的基礎結構是保證風電場正常運營的關鍵部位，針對海上風機基礎結構的研究已經展開[1，4-7]。單樁基礎是歐洲海上風電場的主導基礎結構型式，以其構造簡單、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，上部塔筒與基礎結構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鍵內容。國外已形成明確的設計規(guī)范[8-10]。然而對于國內而言，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，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，量測技術滿足一定的精度，所以經縮尺后的模型能較好地模擬實際連接段。

灌漿材料相關參數為：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。試件設計參數見表1及圖1。

表1 試件設計參數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 量測內容及試驗過程

本試驗應用IMC動態(tài)數據采集系統采集數據，實時顯示各個采集數據值和整體變化曲線。

量測內容：(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 試驗結果及分析

荷載位移曲線如圖4所示。根據位移計標定，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?？梢哉J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 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石體的粘接強度。建議嘗試對樁套管外表面及外套管內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平緩過渡。

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