鄭燦，劉旭東，馮奕敏，莊杰敏

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663）

0 引言

隨著國內(nèi)能源供給逐漸往新能源方向轉(zhuǎn)變，海上風(fēng)電在國家大力支持下逐步發(fā)展。作為海上風(fēng)電的核心構(gòu)筑物，海上升壓站有著舉足輕重的作用。由于導(dǎo)管架基礎(chǔ)對水深的適應(yīng)范圍較廣。目前國內(nèi)外主流的海上升壓站平臺大部分采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)[1]。根據(jù)導(dǎo)管架與樁連接方式劃分，導(dǎo)管架基礎(chǔ)分為樁靴式基礎(chǔ)和樁腿式基礎(chǔ)[2-3]。

目前國內(nèi)尚無研究樁靴式海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)的設(shè)計案例，僅有海油項目中的石油平臺采用了裙樁式導(dǎo)管架基礎(chǔ)，但海油平臺的受力機理和使用功能與海上升壓站相比存在較大差異。針對上述問題，本文開展了樁靴式升壓站基礎(chǔ)研究，通過理論研究和計算分析，形成一套能夠應(yīng)用于實際工程的樁靴式升壓站基礎(chǔ)的設(shè)計方法。

1 海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)

國內(nèi)運行的海上升壓站絕大部分采用樁腿式基礎(chǔ)。樁腿式基礎(chǔ)（見圖1）適用于水深較淺、地質(zhì)條件較好的海域。隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，海上風(fēng)電場所在海域水深越來越深，表層也往往存在深厚軟土層。若采用傳統(tǒng)的樁腿式基礎(chǔ)，則所需導(dǎo)管架主腿截面較大（主腿直徑達3 m以上），鋼管樁樁長較長（110 m以上），海上升壓站施工難度大幅增加。而樁靴式基礎(chǔ)（見圖2）由于樁徑不受導(dǎo)管架主腿截面限制，可調(diào)空間較大，從而適用水深范圍更廣，對于軟土地區(qū)也可通過增加樁長和增大樁徑來滿足設(shè)計要求。

圖1 樁腿式海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)Fig.1 Pile leg jacket foundation

圖2 樁靴式海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)Fig.2 Pile shoe jacket foundation

樁靴式海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)主要通過樁靴和樁之間的高強灌漿料將導(dǎo)管架基礎(chǔ)的力傳遞至鋼管樁上，樁靴和灌漿料受力機理復(fù)雜，需要采用有限元軟件對其在不同工況下進行詳細分析和計算。

2 升壓站設(shè)計標準

2.1 升壓站構(gòu)筑物級別和結(jié)構(gòu)安全等級

海上升壓站作為海上風(fēng)力發(fā)電場的重要構(gòu)筑物，其重要性等級高于一般風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。根據(jù)NB/T 31115—2017《風(fēng)電場工程110 kV～220 kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》第3.0.5條規(guī)定，海上升壓變電站應(yīng)按照“無人值守”方式設(shè)計[4]。

2.2 環(huán)境荷載設(shè)計標準

根據(jù)NB/T 31115—2017《風(fēng)電場工程110 kV～220 kV海上升壓變電站設(shè)計規(guī)范》第3.0.6條規(guī)定，海上升壓變電站的潮位、波浪、海流、海冰和風(fēng)速的設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)為100年[4]。

2.3 抗震設(shè)防標準

根據(jù)NB/T 10101—2018《風(fēng)電場工程等級劃分及設(shè)計安全標準》，海上升壓站的所有架構(gòu)設(shè)備支架和其建（構(gòu)）筑物為標準設(shè)防類（丙類），則升壓站基礎(chǔ)抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類（丙類）[5]。

3 靜力及動力分析

本文結(jié)合廣東省南海海域某海上升壓站項目，采用目前海洋工程常用的海工專業(yè)計算軟件SACS進行整體計算，針對不同工況開展樁基承載力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)疲勞等靜力及動力計算[6]。

3.1 樁基承載力計算

樁基設(shè)計采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線法，計算得到所需的樁長。

3.2 結(jié)構(gòu)靜力及動力計算

3.2.1 海上升壓站的荷載

（1）恒載，包括導(dǎo)管架及上部結(jié)構(gòu)的凈恒載、浮力（分別考慮高低水位的情況）、海生物重量，靜水壓力等；

（2）活載，包括上部結(jié)構(gòu)的活荷載以及操作工況下吊車起重量等；

（3）風(fēng)荷載，包括操作工況下風(fēng)荷載（考慮10年一遇）及極端工況下風(fēng)浪流荷載（考慮100年一遇）；

（4）偶然荷載，包括地震荷載及船舶事故撞擊荷載[7-8]；

（5）疲勞荷載，包括所在海域的波浪譜荷載。

3.2.2 海上升壓站的工況

（1）承載能力極限狀態(tài)（Ultimate Limit State，ULS），包含極端工況及操作工況；

（2）正常使用極限狀態(tài)（Serviceability Limit State，SLS），主要用于計算結(jié)構(gòu)變形；

（3）疲勞極限狀態(tài)（Fatigue Limit State，F(xiàn)LS），考慮各種波高分組作用下產(chǎn)生循環(huán)荷載的波浪力的組合；

（4）偶然極限狀態(tài)（Accidental Limit State，ALS），包括地震荷載及船舶事故撞擊荷載；

（5）施工極限狀態(tài)（Construction Limit State，CLS），考慮升壓站吊裝工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形計算。

本文設(shè)計的某項目海上升壓站ULS極端工況下構(gòu)件應(yīng)力單元校核（Unity Check，UC）值如圖3和表1所示，ALS地震工況下構(gòu)件應(yīng)力UC值如圖4和表2所示，上部組塊CLS吊裝工況下構(gòu)件應(yīng)力UC值如圖5所示，下部導(dǎo)管架基礎(chǔ)CLS吊裝工況下構(gòu)件應(yīng)力UC值如圖6所示。

圖5 上部組塊CLS吊裝工況下構(gòu)件應(yīng)力UC圖Fig.5 UC diagram of topside component stress under CLS working condition

圖6 下部導(dǎo)管架基礎(chǔ)CLS吊裝工況下構(gòu)件應(yīng)力UC圖Fig.6 UC diagram of jacket component stress under CLS working condition

表2 地震工況下構(gòu)件應(yīng)力UC值Tab.2 UC value of component stress under seismic working condition

圖3 ULS極端工況下構(gòu)件應(yīng)力UC圖Fig.3 UC diagram of component stress under ULS extreme working condition

圖4 ALS地震工況下構(gòu)件應(yīng)力UC圖Fig.4 UC diagram of component stress under ALS seismic working condition

表1 極端工況下構(gòu)件應(yīng)力UC值Tab.1 UC value of component stress under extreme working condition

海上升壓站在整體吊裝（安裝）工況下，吊點設(shè)于4根主柱頂部，吊裝上部平臺時構(gòu)件應(yīng)力最大UC值為0.793，吊裝導(dǎo)管架基礎(chǔ)時構(gòu)件應(yīng)力最大UC值為0.783，均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性能要求。

4 樁靴與導(dǎo)管架主腿連接段有限元分析

采用一塊豎向抗剪板以及一對約克板分別布置在抗剪板的上下層，用于連接導(dǎo)管架主腿與鋼管樁套筒[9]。由于該節(jié)點處桿件布置比較復(fù)雜，本文利用大型通用有限元軟件ANSYS對局部構(gòu)件進行受力分析，采用SHELL181以及SOLID185單元對模型中的桿件進行模擬，具體建模如圖7所示。對樁靴與導(dǎo)管架主腿連接段分析，計算結(jié)果如圖8和表3所示。

表3 導(dǎo)管架灌漿連接段有限元分析計算結(jié)果Tab.3 Finite element calculation results of jacket grouting connection section

圖7 樁靴連接節(jié)點有限元模型Fig.7 Finite element model of skirt shoe connection joint

圖8 局部應(yīng)力云圖Fig.8 Local stress cloud chart

5 灌漿連接段靜力計算及有限元分析

根 據(jù)DNVGL-ST-0126—2018《Support structures for wind turbines》規(guī)范[10]，鋼管樁的灌漿連接段分為帶剪切鍵圓柱灌漿連接段和不帶剪切鍵圓錐灌漿連接段兩類；導(dǎo)管架的灌漿連接段分為后樁法導(dǎo)管架灌漿連接段和先樁法導(dǎo)管架灌漿連接段兩類。本文采用DNV GL-ST-0126—2018規(guī)范對帶剪切鍵圓柱的后柱法灌漿連接段進行灌漿分析。

5.1 軸力作用

當(dāng)不等式（1）滿足時，灌漿連接段的軸力設(shè)計滿足要求。

式中：FV—單位長度剪力鍵的設(shè)計荷載，N/mm；

FVcap,d—單位長度剪力鍵的承載力設(shè)計值，N/mm。

單個剪切鍵單位長度下設(shè)計荷載強度由式（2）求得：

式中：Rp—樁半徑，mm；

n—剪力鍵數(shù)量，個；

V—灌漿段設(shè)計軸向荷載，N。

單個剪切鍵單位長度下承載力設(shè)計值由式（3）求得：

式中：s—剪力鍵間距，mm；

γm—材料系數(shù)，取2.0；

fbk—灌漿連接段界面抗剪強度，MPa。

灌漿連接段界面抗剪強度可根據(jù)式（4）求得：

其中：Dp—樁靴直徑，mm；

h—剪力鍵高度，mm；

k—徑向剛度系數(shù)；

fck—漿體圓柱體試塊的特征抗壓強度，MPa。

另外，式（4）計算得到的強度值不應(yīng)超過式（5）計算的漿體破壞時的強度值。

5.2 水平力與彎矩作用

對于后樁法導(dǎo)管架樁靴與鋼管樁灌漿連接段，從灌漿連接段頂部（樁靴頂）到一半彈性長度的范圍內(nèi)，受彎矩影響較大，其他部分受彎矩影響較小。鋼管樁的彈性長度le由式（6）給出：

式中：E—鋼材楊氏模量，MPa；

Ip—導(dǎo)管架樁的慣性矩，mm4；

krD—支撐彈簧剛度，MPa。

支撐彈簧剛度krD可由式（7）計算：

式中：Rp—樁直徑，mm；

tp—樁壁厚，mm；

Rs—樁靴直徑，mm；

ts—樁靴壁厚，mm；

tg—漿體厚度，mm；

m—鋼材與高強灌漿料的彈模比。

對于由水平力與彎矩引起的最大名義徑向接觸壓力pnom，可由式（8）計算：

式中：M0—設(shè)計水平彎矩，N·mm；

Q0—設(shè)計水平力，N。

由式（6）—式（8）可知，導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿連接段的抗彎性能與剪切鍵的高度、寬度、間距以及漿體的抗壓強度等無關(guān)，與鋼管樁與導(dǎo)管架腿柱的相關(guān)參數(shù)及漿體彈性模量等有關(guān)。

最大名義徑向接觸壓力pnom應(yīng)滿足式（9）：

如果接觸壓力pnom無法滿足式（9）要求，則需開展有限元分析，進一步確認灌漿連接段是否滿足設(shè)計要求。本文對升壓站灌漿連接段開展靜力分析，結(jié)果如表4所示。

表4 灌漿連接段靜力分析結(jié)果Tab.4 Static analysis results of grouting connection section

5.3 有限元分析

通過樁靴與鋼管樁之間的環(huán)形空間內(nèi)灌漿，可以把過渡段荷載傳遞給鋼管樁，此荷載傳遞是由上部結(jié)構(gòu)經(jīng)過水泥漿傳至鋼管樁[11]。試驗表明，荷載傳遞機理是水泥漿與鋼管樁表面之間的黏合和密閉摩擦的綜合作用[12]。樁靴段腿柱內(nèi)表面和鋼管樁外表面設(shè)置剪切鍵，帶有剪切鍵的灌漿連接段大樣如圖9所示。

圖9 灌漿連接段大樣Fig.9 Detail drawing of grouting connection section

本文采用ANSYS有限元軟件對導(dǎo)管架灌漿連接段進行數(shù)值模擬，分析結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下的力學(xué)性能。數(shù)值分析模型主要由四部分組成，分別是導(dǎo)管架部分桿件（端部進行約束）、樁靴、鋼管樁和灌漿部分，其荷載及約束情況見圖10。

圖10 灌漿連接段子模型Fig.10 Sub model of grouting connection section

根據(jù)相關(guān)計算結(jié)果，可以通過調(diào)整灌漿段長度及選取高強度灌漿料來滿足設(shè)計要求。有限元計算結(jié)果見圖11和表5。

表5 導(dǎo)管架灌漿連接段有限元計算結(jié)果Tab.5 Finite element calculation results of jacket grouting connection

圖11 灌漿連接段及漿體應(yīng)力云圖Fig.11 Stress cloud chart of grouting connection section and grout

6 結(jié)論

本文結(jié)合廣東省南海海域某升壓站項目開展了樁靴式海上升壓站導(dǎo)管架基礎(chǔ)的靜力和動力計算，進行了樁靴和灌漿的有限元分析，形成了一套能夠應(yīng)用于實際工程的設(shè)計方法和理論，可為該型式升壓站基礎(chǔ)設(shè)計提供技術(shù)借鑒。相對于傳統(tǒng)的樁腿式基礎(chǔ)，樁靴式升壓站基礎(chǔ)由于樁徑不受導(dǎo)管架主腿截面限制，樁徑可調(diào)空間較大，適用水深范圍更廣，對于軟土地區(qū)也可通過增加樁長和增大樁徑來滿足設(shè)計要求。目前本文主要的研究成果已在廣東省南海海域近十個海上風(fēng)電項目中得以應(yīng)用，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，在同類工程中推廣應(yīng)用前景廣闊。