游先輝

(福建永福電力設(shè)計股份有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

全球能源危機和生存環(huán)境問題日益嚴峻，開發(fā)和建設(shè)可再生能源已成為全球熱點。為實現(xiàn)“碳中和”目標，中國必須大力優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，發(fā)展可再生能源，不斷削減傳統(tǒng)能源的比重。風能、海洋能、太陽能及生物質(zhì)能等均是優(yōu)質(zhì)可再生能源，是全球?qū)崿F(xiàn)“碳達峰”“碳中和”的重要手段。其中海上風能具有穩(wěn)定、發(fā)電效率高、儲量豐富等優(yōu)勢，而且無噪音干擾、環(huán)境污染等問題，因而適合大規(guī)模開發(fā)和建設(shè)。

中國海上風電行業(yè)的發(fā)展歷程相對較短，在近幾年受國家利好政策的驅(qū)動下進入蓬勃發(fā)展期。隨著風電場單機容量的不斷提高，海域水深深度不斷被突破，使得海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的成本占總投資成本的比重不斷增大，甚至高達30%，這其中很大一部分原因是中國海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究進程滯后于海上風電行業(yè)的發(fā)展。

受海上風浪的影響，海上施工船舶和設(shè)備無法保證具有陸地施工的穩(wěn)定性，同時，由于海上施工窗口期較短，使得海上風電的預制裝配鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段尺寸和重量均較大，這增大了風機支撐結(jié)構(gòu)與樁基之間的連接難度。為保證施工方便，克服施工誤差對整體結(jié)構(gòu)傳力效能的影響，工程師提出了采用灌漿連接段進行導管架與樁基之間的連接。灌漿連接段不僅能夠解決超重構(gòu)件拼裝難度大、精度高的問題，而且能夠兼顧上部結(jié)構(gòu)的調(diào)平[1](灌漿連接段如圖1所示)。灌漿連接段是海上風電結(jié)構(gòu)連接的重要手段，本文重點綜述灌漿連接的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

圖1 灌漿連接段

2 灌漿連接段的應用

海洋氣候多變的特性對海上風電項目的開發(fā)和建設(shè)影響較大，特別是對于風資源好的海域，不僅施工窗口期較少，而且施工難度大。海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的制約因素通常是施工效率、施工精度及復雜環(huán)境下工藝的可行性。為使海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠適應不同海洋環(huán)境，研究學者根據(jù)不同海洋環(huán)境、地質(zhì)條件，提出了四種海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式[2]，具體形式和適用條件詳見表1。單樁基礎(chǔ)、導管架基礎(chǔ)無論在歐洲海域或我國海域都使用較多，占現(xiàn)役海上風電結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)比例超過70%[3]。中國“十四五”能源規(guī)劃顯示，未來海上風電規(guī)劃場址主要集中在30m～50m水深區(qū)域，未來五年，海上風電導管架基礎(chǔ)將會被廣泛采用，其附帶的灌漿連接同樣將被大量應用。

表1 主要基礎(chǔ)形式及其適用水深

灌漿連接段主要應用于單樁基礎(chǔ)和導管架基礎(chǔ)中，因此現(xiàn)有關(guān)于灌漿連接段的研究和規(guī)范主要針對這兩種基礎(chǔ)形式展開。根據(jù)使用需求，海上風電灌漿連接段可以分為三種形式[4]，分別是：

(1)筒形平滑無剪力鍵灌漿連接段，由于其無法保證導管架與樁基之間荷載的有效傳遞，存在較大安全隱患，DNV-GL規(guī)范[5]已經(jīng)不再推薦采用。

(2)筒形平滑有剪力鍵的灌漿連接段，目前在導管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中較常采用。

(3)錐形灌漿連接段，目前主要應用于變截面鋼管連接，適用于單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

灌漿連接段最早運用于海洋石油平臺或天然氣開采平臺[6]，改進后被廣泛應用于海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。與海洋采油平臺灌漿連接段相比，海上風電機組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)灌漿連接除需承受上部結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、海浪循環(huán)動力荷載和海水腐蝕作用外，還需承受風機運行時帶來的動力荷載[7-8]。中國海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)灌漿連接段的設(shè)計主要參考美國石油協(xié)會(API)、挪威船級社(DNV)等體系下的規(guī)范，對比分析可知，直接套用上述規(guī)范進行灌漿連接段的設(shè)計存在一定局限性，主要包括三點：

(1)中國海上風電規(guī)范體系尚不健全，在進行結(jié)構(gòu)計算分析時，風、浪、流等環(huán)境荷載作用一般參考港口或水運工程規(guī)范，而國外海上風電規(guī)范體系基于環(huán)境荷載統(tǒng)計方法得到抗力系數(shù)、分項系數(shù)和組合系數(shù)的取值，這與中國港口或水運工程規(guī)范有所不同，使得不同規(guī)范體系的安全系數(shù)取值存在差異。

(2)國外設(shè)計規(guī)范給出的灌漿連接段計算方法多為經(jīng)驗公式，且支撐經(jīng)驗公式的試驗年代較為久遠。隨著海上風電的發(fā)展，灌漿連接段的材料強度和尺寸不斷增大，使得現(xiàn)有計算方法能否直接運用于灌漿連接段受力性能的評價還有待商榷。

(3)國外規(guī)范關(guān)于灌漿材料的強度評定標準與中國存在較大差異，同時，國外與中國海上風電場應用場景的氣候條件、地址條件、海洋環(huán)境也有較大差異(如較頻繁的臺風災害影響等)，因而國外規(guī)范對灌漿材料的性能要求能否適用于中國國情有待考證。

3 灌漿連接段國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 灌漿連接段受力機理研究

最初，灌漿連接段的受力機理針對剪力鍵的形狀開展研究。Boswell[9]采用數(shù)值分析方法對具有不同剪力鍵形狀的灌漿連接段極限承載能力進行了分析和比較，其研究結(jié)果表明，剪力鍵為矩形和圓形的灌漿連接段承載能力基本相同，而剪力鍵采用三角形的灌漿連接段，承載能力較其它兩種型式的灌漿連接段高，分析結(jié)果見圖2。仲偉秋等[10]基于有限元分析方法，研究了剪力鍵形狀的敏感性，并建議采用三角形剪力鍵。

圖2 剪力鍵形狀的影響

灌漿連接段的類型如前文所述，分為有剪力鍵和無剪力鍵，兩者受力機理差異較大，國內(nèi)外較多學者進行了大量的對比和分析。仲偉秋等[11]采用有限元分析方法，對比分析了軸力作用下設(shè)置剪力鍵與不設(shè)剪力鍵對灌漿連接段性能的影響。李煒等[12]依托某海上風電基礎(chǔ)工程項目，通過模型試驗開展了無剪力鍵和有剪力鍵對灌漿連接段受力性能影響方面的研究。結(jié)果表明，設(shè)置剪力鍵能顯著提高灌漿連接段的受壓承載能力，增強灌漿連接段各組成部分間的荷載傳遞能力，但均未深入分析灌漿連接段在受力至破壞過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力組成和分布。

灌漿連接段的灌漿體在受力過程中無法被監(jiān)測到，因此其受力機理的深入分析大部分需要結(jié)合有限元分析方法。Aritenang等[13]通過有限元分析研究了設(shè)置剪力鍵灌漿連接段的荷載傳遞歷程、破壞機理，以及局部應力與滑移量之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示灌漿連接段的破壞與套管的屈服強度有較大關(guān)聯(lián)。Nielsen[14]通過有限元分析了運營期內(nèi)風電基礎(chǔ)灌漿連接段的受力機理，驗證了灌漿連接段承載能力會受幾何缺陷、粘結(jié)強度和鋼管與灌漿料之間摩擦系數(shù)的影響，同時也提出了三者之間的組成模式(見圖3)。這是首次提出灌漿連接段傳遞內(nèi)力組成的文獻，為后續(xù)許多研究工作提供了基礎(chǔ)。

圖3 三種剪應力與總剪應力承載能力關(guān)系圖

為深入研究灌漿連接段的受力機理，Dallyn[15-16]結(jié)合既有海上結(jié)構(gòu)灌漿連接段試驗，進一步開展了灌漿連接段模型試驗，研究了影響灌漿接觸面磨損的各種因素。結(jié)果表明，壓應力、位移幅度、表面粗糙度和水量是影響灌漿接觸面磨損的主要因素。同時，灌漿連接段接觸面的磨損可能貫穿結(jié)構(gòu)的全壽命期，因此評估灌漿料完整性和性能時需考慮灌漿連接段耐磨性的影響。從灌漿連接段非理想模型狀態(tài)下的缺陷著手，進一步分析了灌漿體在長期受力下直至最終破壞的主要因素。

3.2 灌漿連接段承載能力計算方法研究

灌漿連接段的受力機理研究為承載能力計算方法的建模提供了基本的模型依據(jù)。

國內(nèi)外在研究灌漿連接計算方法之前首先開展了不同基礎(chǔ)形式的分類。Lotsberg等[17]對比分析海上風電導管架基礎(chǔ)和單樁基礎(chǔ)灌漿連接段的受力模式發(fā)現(xiàn)，導管架基礎(chǔ)灌漿連接段主要受軸向荷載作用，而單樁基礎(chǔ)灌漿連接段則是以彎矩為主，特別是在風荷載作用下。Chellappan等[18]采用有限元分析方法，研究了灌漿連接段傳遞軸向荷載和彎曲荷載的能力，得到了兩種荷載作用下灌漿連接段受力模式的異同點。通過分析不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，基本確立了承載力計算方法包括抗彎能力計算和軸向承載能力計算。

承載能力計算方法的形成需要大量的試驗數(shù)據(jù)支撐。Billington[19]采用模型試驗方法，研究了灌漿料抗壓強度對灌漿連接段承載能力的影響，通過進一步處理試驗數(shù)據(jù)得到的極限粘結(jié)強度計算公式被英國健康與安全執(zhí)行局(HSE)規(guī)范《樁與套管連接》采用。Billington[20]為研究灌漿連接段承載能力和幾何參數(shù)、材料特性等之間的相關(guān)關(guān)系，對60個試驗模型開展試驗研究，得到了套管徑向剛度、內(nèi)管徑向剛度、灌漿料徑向剛度、灌漿連接段的長細比、灌漿料抗壓強度、灌漿料收縮性能、鋼管表面粗糙度、剪力鍵尺寸和剪力鍵間距對灌漿承載能力的影響，提出了具有一定參考價值的灌漿連接段承載能力經(jīng)驗計算公式。雖然研究獲得的計算公式具很大的局限性，但在一定參數(shù)取值范圍內(nèi)可以較好地評估構(gòu)件的承載能力。Karsan[21]基于灌漿料連接段承載能力試驗統(tǒng)計結(jié)果，采用線性回歸方法得到了灌漿連接段承載能力計算公式，并被美國石油協(xié)會(API)規(guī)范《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦做法》所采納。

API的公式同樣會受到樣本數(shù)據(jù)量的影響，因此具有一定局限性。為此，有些學者嘗試通過深入分析受力機理以獲得更好的計算模型。例如，Aritenang等[22-23]針對無剪力鍵和有剪力鍵的灌漿連接段開展了系統(tǒng)研究。通過分析灌漿連接段的受力機理，提出了灌漿連接段的承載能力計算方法，并通過試驗結(jié)果驗證，該計算方法優(yōu)于HSE和API給出的灌漿連接段承載能力計算方法。

針對已有的計算方法，一部分學者開展了一系列適用性的驗證工作，為工程師使用現(xiàn)有計算方法提供了較明確的范圍。也有一部分學者通過改進現(xiàn)有計算法，從而擴大其適用范圍或提高其準確性。Arne等[24]通過對比分析數(shù)據(jù)庫中的灌漿連接段承載能力試驗結(jié)果，研究了現(xiàn)有灌漿連接段承載能力計算方法的適用性，并得到較適宜評價灌漿連接段承載能力的計算方法。Fehling等[25]對比分析了分別采用壓桿和拉桿情況下所得的灌漿連接段承載能力，并與試驗結(jié)果進行比較，進而提出改進灌漿連接段承載能力的計算方法，并采用實際工程案例對其進行了驗證。

國外學者通過大量試驗以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得了經(jīng)驗計算方法，主要包括HSE、API、NORSOK及DNV-GL等，而我國針對海上風電灌漿連接的規(guī)范尚未形成，在國內(nèi)開展的試驗研究也相對較少，只有少部分學者開展了試驗研究工作。王國慶等[26]、武立偉等[27]、黃立維等[28-29]、陳濤等[30]開展了一系列的參數(shù)試驗，分析了各個構(gòu)件參數(shù)對結(jié)構(gòu)承載能力影響，為后續(xù)我國行業(yè)規(guī)范計算方法的形成提供了基礎(chǔ)。

3.3 灌漿連接段尺寸偏心的影響研究

由于海上作業(yè)環(huán)境比陸上惡劣，極易造成灌漿連接段內(nèi)部灌漿料厚度沿鋼管環(huán)向不均勻分布，尺寸偏心側(cè)的厚度小于非尺寸偏心側(cè)。為了解尺寸偏心對灌漿連接段承載能力的影響，國內(nèi)外少數(shù)學者也開展了相關(guān)研究。Lee等[31]結(jié)合試驗和有限元分析方法，對比分析了同心和偏心荷載條件下灌漿連接段的強度和界面剪切特性。Lamport等[32]通過對18個灌漿連接段試驗模型開展受壓性能試驗，分析了尺寸偏心對灌漿連接段承載能力的影響。結(jié)果表明，尺寸偏心率會降低灌漿連接段承載能力，下降比例在5%～22%。尺寸偏心如圖4所示。

圖4 樁-套管偏心對比

國內(nèi)主要針對抗彎性能受尺寸偏心的影響開展研究。李筑軒[33]對尺寸偏心分別為0mm、0.055mm和0.083mm的灌漿連接段進行了抗彎性能試驗。結(jié)果顯示，尺寸偏心對灌漿連接段抗彎承載性能及剛度影響較小。陳濤[34]對有尺寸偏心灌漿連接段進行抗彎性能試驗。結(jié)果同樣表明，尺寸偏心對灌漿連接段的抗彎承載能力、抗彎剛度和延性影響較小。

通過分析已有規(guī)范公式可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有計算方法主要考慮理想狀態(tài)下的灌漿連接段承載能力，未考慮尺寸偏心對灌漿連接段承載能力的影響，由于海上風電灌漿連接段的施工必然會造成一定的尺寸偏心，所以有必要深入分析尺寸偏心條件下的結(jié)構(gòu)承載能力，以獲得更準確的承載能力評估方法。

3.4 灌漿連接段疲勞性能研究

國內(nèi)針對灌漿連接段疲勞性能研究還相對較少，而國外針對灌漿連接段疲勞性能研究也是近年來才起步的?，F(xiàn)有規(guī)范多是采用容許應力法對灌漿連接段疲勞性能進行評估，該種評估方法或是偏于保守，或是無法達到設(shè)計預期。DNV-GL更新的海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[5]中提出了灌漿料的疲勞設(shè)計S-N曲線，并建議采用Miner線性疲勞累積損傷準則對灌漿連接段的疲勞性能進行評估。

為得到灌漿連接段的疲勞性能及其評價方法，Schaumann等[46]對海上風電灌漿連接段的疲勞性能進行了數(shù)值分析，通過對比分析應用于鋼管的兩種局部應力法，得到了標準數(shù)值模型和可粗略估計灌漿連接段的疲勞壽命評價方法。Lotsberg[47]為研究灌漿材料的疲勞性能，設(shè)計了具有代表性的徑向剛度樣本，并開展了模型試驗研究，提出了相關(guān)設(shè)計方法。Jeonghwa等[48]通過模型試驗和有限元分析方法，對灌漿連接段疲勞性能進行了分析，結(jié)果顯示，灌漿料強度、剪力鍵密度和應力比對疲勞性能影響較大。黎亞舟等[49]采用熱點應力方法，并結(jié)合有限元分析方法，研究了單樁基礎(chǔ)灌漿連接段剪力鍵位置在彎矩作用下的應力水平，并對灌漿連接段進行疲勞性能評價。結(jié)果表明，風速對單樁基礎(chǔ)灌漿連接段的疲勞損傷起控制作用。

綜上所述，國內(nèi)外針對海上風電基礎(chǔ)灌漿連接段疲勞性能方面的試驗研究、有限元分析和理論分析均相對較少。目前中國尚未出臺有關(guān)海上風電基礎(chǔ)灌漿連接段的疲勞設(shè)計S-N曲線，現(xiàn)有設(shè)計多是直接套用國外規(guī)范。

4 灌漿連接段試驗參數(shù)統(tǒng)計分析

本文通過收集、統(tǒng)計和分析國內(nèi)外灌漿連接段試驗數(shù)據(jù)，得到了已有試驗灌漿連接段試驗模型主要參數(shù)的取值范圍，統(tǒng)計得到了108個灌漿連接段試驗數(shù)據(jù)。繪制參數(shù)分布如圖5～圖8所示。

圖8 灌漿材料抗壓強度分布

灌漿連接段試驗研究在一定程度上受現(xiàn)有試驗的設(shè)備水平的約束。由圖5可以看出，現(xiàn)有灌漿連接段試驗模型套管直徑大多小于600mm，僅有6個試件直徑約為600mm和1個試件直徑達1500mm。從圖6可見，現(xiàn)有灌漿連接段試驗缺少高徑厚比下的灌漿連接段試驗，且徑厚比在45～60范圍內(nèi)的試驗也相對較少。

圖5 套管直徑分布

圖6 內(nèi)管徑厚比分布

由圖7可以看出，現(xiàn)有灌漿連接段內(nèi)部灌漿料的厚度大多集中在10～40mm，而40～65mm范圍內(nèi)的基本處于空白。觀察灌漿材料抗壓強度分布，現(xiàn)有灌漿連接段試驗的灌漿料強度基本小于100MPa，只有9個試件的灌漿體強度大于100MPa。

圖7 灌漿材料厚度分布

查閱現(xiàn)有灌漿連接段計算方法可知，API設(shè)計方法適用于灌漿材料強度不高于110MPa的情況；ISO和NORSOK均要求灌漿強度小于80MPa。目前，海上風電發(fā)展對導管架灌漿連接段內(nèi)部灌漿料的強度提出了越來越高的要求，國內(nèi)已投產(chǎn)項目的導管架灌漿材料強度基本都大于100MPa，甚至達120MPa。

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，受試驗條件的限制，國內(nèi)外的試驗結(jié)果幾乎都來自于縮尺試件的試驗，并且早期開展的大量試驗試件尺度極小。另外，以往試驗幾乎采用較低強度的灌漿材料，而所有承載力計算方法都與灌漿材料強度有直接關(guān)系，因此這些計算公式應用于如今的應用場景是否能準確評估結(jié)構(gòu)承載力有待考究。

5 結(jié)論及展望

綜上所述，與早期海上風電基礎(chǔ)灌漿連接段相比，現(xiàn)有灌漿連接段采用的灌漿料強度更高，且?guī)缀纬叽绺?，因而能否直接采用現(xiàn)有灌漿連接段設(shè)計理論進行灌漿連接段的設(shè)計和施工還有待商榷。在國內(nèi)海上風電規(guī)模化發(fā)展的背景下，亟需對海上風電基礎(chǔ)灌漿連接段進行系統(tǒng)研究，驗證現(xiàn)有計算方法的適用范圍，獲得符合現(xiàn)有應用場景下的計算方法，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，優(yōu)化灌漿連接段，降低工程預算，推動我國海上風電達到平價目標。

雖然國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了大量灌漿連接段的性能分析，但基于現(xiàn)有評估方法的局限性，筆者認為仍需對以下若干問題作進一步研究和探討：

①海上風電基礎(chǔ)灌漿連接段應用位置幾乎都在水下，并且伴隨海上風電不斷往深海延伸，灌漿連接段的應用水深將超過50m。因此后續(xù)可對灌漿連接段在深水水壓同時作用下的性能開展進一步研究。

②由于現(xiàn)有規(guī)范缺乏灌漿料的本構(gòu)關(guān)系，目前大多是將混凝土的本構(gòu)關(guān)系作為灌漿料的本構(gòu)模型，但是由于灌漿料內(nèi)部無粗骨料，因而直接套用混凝土本構(gòu)關(guān)系是不合理的，所以后續(xù)可對灌漿料的本構(gòu)關(guān)系開展相關(guān)研究。

③中國風資源較好的中南部海域平均水溫比歐洲主要風場集中區(qū)域北海平均水溫高得多，后續(xù)可開展溫度作用對灌漿連接段承載能力和疲勞性能影響方面的研究。