钢管混凝土组合桩在海上风电基础中的应用

孙建军，韩亮，李云龙

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

钢管混凝土组合桩在海上风电基础中的应用

孙建军，韩亮，李云龙

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

文章借鉴钢管混凝土构件受力特性优良的特点，作为一种新型复合桩基结构推广应用于风机基础结构中。有限元计算结果表明：组合桩基础具有桩基受力分布均匀，单桩受力小，结构变形小，结构自振频率易调节等优点，能够更好地适用于风机设备的循环疲劳荷载，是一种经济可行的结构方案。

海上风电；风机基础；钢管混凝土；结构分析

0 引言

国内外风机基础结构形式有很多种，包括导管架基础、高桩墩台基础、低桩承台基础、单桩基础、重力式基础及漂浮型基础等[1-2]，不同的基础结构适用于不同的工程条件。由于受工程投资、施工技术等因素限制，国内90%以上的海上风电工程都分布在近海滩涂区及浅水区。对于近海滩涂区及浅水区，风机基础主要以高桩墩台基础、导管架基础和单桩基础为主，因地制宜的采用低桩承台基础和重力式基础。

对于近海区域桩基形式的风机基础，目前采用的桩基主要以钢管桩、PHC桩和灌注桩为主。本文提到的钢管混凝土组合桩指的是考虑钢护筒与钢筋混凝土桩联合受力的桩基结构，它的受力特性与钢管混凝土构件有很多共同点[3]。目前钢管混凝土构件主要应用在建筑工程、桥梁工程和内河大水位差桩基码头工程中[4-5]，在风机基础工程中尚未有应用案例。

1 工程概述

该工程位于天津港地区某防波堤外侧，由于受边界条件的限制，风机点位须沿堤布置，且不得超出防波堤外侧坡脚线，风机基础坐落于防波堤外侧坡面上。风机基础选型必须充分考虑基础结构对已建防波堤的影响，经过综合比较，最终选用低桩承台基础结构形式作为推荐方案。结构断面见图1。

工程位置泥面高程-1.0~-2.0 m，为典型的软土地基，地质条件及设计波浪资料见表1、表2。

图1 风机基础结构断面图（单位：m）Fig.1 Structural cross section of support structure（m）

表1 土层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical index of soil layer

表2 设计波浪要素Table 2 Design wave parameter

由于所在区域缺乏实测资料，对于海冰的设计参数可按JTS 144-1—2010《港口工程荷载规范》相关规定采用。本工程设计冰厚采用塘沽地区的50 a一遇设计冰厚0.395 m，海冰单轴抗压强度标准值为2.03 MPa。

本工程设计高水位为4.30 m，极端高水位为5.88 m。根据基础顶面不上水的要求，风机基础顶面高程最低为8.0 m。风机基础临海侧承受波浪、海流及海冰的直接作用。

2 桩基选型

对于陆上风机和潮间带风机，由于装机容量相对较小，风机设备荷载也相对较小，风机基础多采用重力式基础或低桩承台基础。低桩承台基础采用的桩基主要是灌注桩或PHC桩，基础承台一般埋设在地面以下，承台顶面以上大多有一定厚度的覆土，故桩基受力条件相对较好。对于离岸式海上风机，风机基础多采用钢管桩承台基础或导管架基础，由于桩基受土体约束条件相对较差，且桩身受波浪、水流及冰荷载的直接作用，故桩基多为大直径钢管桩，且入土深度相对较深。

2.1 钢管桩

钢管桩是海上风电基础采用的主要桩型，优点是抗弯能力强、承载力高、耐锤击、贯穿能力强，且施工速度快、施工经验成熟、应用较为广泛。在海上风电项目中，风机基础多采用大直径钢管桩承台或导管架基础。由于本工程风机基础依托于已建防波堤堤身结构，风机基础部分结构埋在堤身之内，桩基基本处于无悬臂状态。这与国内已建的大多数海上风机基础有较大区别，桩基的受力条件相对较好，故本工程风机基础摒弃传统大直径钢管桩方案，改用常规直径钢管桩。

设计方案采用13根φ1 400钢管桩，基础中心布置1根，其余12根在墩台底部沿直径11 m的圆均匀布置，桩底高程-60 m。为了提高结构的水平刚度，除中心桩为直桩外，其余桩均采用斜度为4∶1的斜桩，桩顶深入承台内1.5 m，自桩顶往下15 m采用C35混凝土灌芯。经有限元软件计算，本基础结构设计方案承载能力、最大变位等均能满足规范要求，方案可行。

但由于钢管桩打桩船作业对水深有一定要求，本工程风机基础位于防波堤外侧坡面上，为了能满足大型打桩船作业要求，需要在堤身外侧局部范围内开挖水上施工通道。打桩作业完成后，为了保证堤身的安全稳定，还需将开挖部分进行回填处理，故采用钢管桩方案需要投入较大的施工措施费用。另外，钢管桩基础自身造价与其他形式基础相比也没有明显优势，所以在本工程中采用钢管桩方案，工程造价相对较高。

2.2 灌注桩

灌注桩低桩承台基础一般应用于陆上和潮间带风电基础，承台埋设在泥面以下，基础顶部有一定厚度覆土。本工程中风机位于斜坡堤外侧坡面，风机基础部分外露在堤身之外，受波浪、水流及冰荷载直接作用，故本工程基础承台中灌注桩的桩身受力比普通低桩承台桩基受力大很多。本工程设计方案采用C45 F300钢筋混凝土结构，基础顶高程8.0 m，承台总高度5.5 m，承台底面直径25 m，承台底下打设22根φ1 400 mm灌注桩，分两圈布置，外圈沿直径22 m圆均匀布置16根桩，内圈沿直径10 m圆均匀布置6根桩，桩底高程均为-55 m。经计算，由于桩基均为直桩，承台抵抗水平力作用比较差，灌注桩桩身所受弯矩很大，且处于“拉弯”受力状态，故桩身截面需要较大的配筋率，才能满足设计要求。

2.3 PHC桩

风机基础要承受较大的冰荷载和波浪力，与风机荷载组合后，对桩身产生较大的不利作用。经计算，在极端工况下桩基所受弯矩较大，超出国内PHC桩抗裂容许弯矩，故不考虑采用PHC桩。

2.4 钢管混凝土组合桩

钢管混凝土构件在受力特性上明显优于同尺度的钢筋混凝土构件，但其弱点是：构件的连接节点处较为薄弱。钢管桩的抗弯承载力要比同尺度的混凝土灌注桩大很多，但钢管混凝土构件的抗弯性能要明显优于同尺度的空心钢管。若将钢管混凝土构件作为承台的桩基结构，就能在很好地克服其弱点的同时，充分发挥其结构特性。

根据钢管桩基础和灌注桩基础的计算结果，发现桩身弯矩设计值很大，且桩基处于“拉弯”受力状态，此种受力状态下，对桩基的抗弯要求最高，为了满足设计要求，钢管桩基础一般需要增大桩径或者增加壁厚，灌注桩基础一般需要增大直径或设置较大的截面配筋率。但计算结果也表明，基础承台桩基结构只有在桩顶处弯矩较大，随着桩基入土深度的增加，土体对桩基的约束作用增强，桩身弯矩随深度增加迅速衰减，在承台底面以下10 m左右，桩身弯矩已衰减至最大值的40%。另外，计算结果还表明随着承台桩数的增多，桩基受力分布更加均匀，单桩最大压桩力和拉桩力都有所减小。根据研究所得的桩基受力特点，结合钢管混凝土的结构特性，推出以下钢管混凝土组合桩基础方案。

风机基础承台采用C45 F300钢筋混凝土结构，基础顶高程8.0 m，承台总高度为5.5 m，墩台底面直径为23 m，承台底下打设28根φ1 200 mm钢管混凝土组合桩，分两圈布置，外圈沿直径20 m圆均匀布置20根桩，内圈沿直径9 m圆均匀布置8根桩，桩顶深入承台1.2 m，桩身自桩顶向下12 m为钢管段，桩底高程-50 m。组合桩钢管采用φ1 200 mm钢管桩，材质选用Q345b型，桩身设计壁厚t=20 mm，计算厚度取t=16 mm。桩身外侧涂防腐涂层，并做牺牲阳极保护。

组合桩方案的设计理念是减小灌注桩桩径，增加桩基数目，使承台下桩基受力分布更为均匀，从而可以适当减小桩长，节省灌注桩工程量。但由于减小了桩径，桩身抗弯能力不足，所以需要在桩头处设置钢管段，提高桩身局部位置处的截面抗弯性能。组合桩方案中桩基的抗压和抗拔承载力还是由灌注桩的桩长决定，受弯作用明显的桩头处的抗弯承载力是由钢管混凝土构件承受，弥补了灌注桩抗弯性能相对较弱的劣势。组合桩中钢管段的长度，可根据计算结果适当调整。关于钢管混凝土构件的抗弯承载力计算，目前国内相关规范[6]已有明确规定，本文不再赘述。

对组合桩基础进行有限元建模计算，结果表明：在极端工况条件下，基础最大位移约为8 mm，基础顶最大转角约为1.1/1 000弧度，均满足现行规范及行业标准要求。有限元计算结果见图2。

图2 桩身X向弯矩分布图（单位：N/m）Fig.2 X-directionbending momentdistributionofpile(N/m)

从图2中可以看出，桩身弯矩最大值都集中在桩头3 m左右，随着桩基入土深度的增加，桩身弯矩迅速衰减。另外，通过对不同地基条件下风机基础受力计算，发现桩身弯矩衰减速率与土体m值有关，当土体为软弱土层时，m值较小，桩身受土体约束作用相对较弱，桩身弯矩衰减效应变缓；当土体物理力学指标较好时，m值较大，桩身受土体约束作用明显，桩身弯矩衰减效应更明显。所以，对于泥面以下软弱土层很厚的工况，应适当增长组合桩中钢管段的长度。

3 方案对比与结果分析

有限元计算结果表明：钢管桩基础、灌注桩基础和钢管混凝土组合桩基础均能够满足设计要求。由于本工程特殊的工程位置，钢管桩打桩作业需要较高的工程措施费用，导致钢管桩方案工程造价较高。灌注桩基础与钢管混凝土桩基础工程造价相当，钢管混凝土组合桩方案略低。从计算结果来看，钢管混凝土组合桩桩径小但刚度大，桩基受力分布更为均匀，单桩所受压桩力和拉桩力都相对较小，在极限荷载的不利组合工况，基础结构变形小。此外，基础结构的自振频率可根据钢管的壁厚和长度进行调节，能够更好地适应风机设备的循环疲劳荷载。所以，对于风机基础坐落于防波堤外侧坡面处这种特殊工况，采用钢管混凝土组合桩是一种较为合理可行的技术方案。

4 结语

本工程采用的钢管混凝土组合桩，借鉴了钢管混凝土构件的受力特性和结构计算方法，将其拓展应用于桩基结构中，形成一种复合桩基结构。钢管混凝土组合桩将钢管结构布设在桩身受弯截面处，充分发挥钢管的抗弯性能。桩顶深入钢筋混凝土承台内1倍桩径，通过连接钢板与承台内钢筋焊接，形成固接，克服了以往钢管混凝土构件相接节点薄弱的弊端。钢管混凝土组合桩扬长避短，充分发挥了钢管混凝土结构的优良特性。

鉴于本工程中风机基础布置的特殊性，目前在国内类似的工程案例相对较少，但随着海上风电行业的兴起和海洋岸线资源的日益短缺，未来可能会有较多的类似工程项目，本工程的设计方案可为类似的滩涂区海上风电项目提供参考。

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Application of concrete-filled steel tube pile in offshore wind support structures

SUN Jian-jun,HAN Liang,LI Yun-long
（CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

The concrete-filled steel tube pile is widely applied to the wind support structures as a new composite pile foundation structure with excellent mechanical properties.The finite-element method calculation results show that the support structures with concrete-filled steel piles can distribute the force of piles shapely,with little strain of structure,and the natural frequency of structure can be adjusted easily.So it is an economy and feasible program for the circular loads of offshore wind generation.

offshore wind generation;support structure;concrete-filled steel tubes;structure analysis

U655.544

A

2095-7874（2016）12-0050-04

10.7640/zggwjs201612010

2016-07-15

2016-09-11

孙建军（1985— ），男，山东平度人，硕士，工程师，港口海岸及近海工程专业，主要从事水工结构设计工作。E-mail：snjnjn@163.com