海上风电桩基导管架基础灌浆段设计与应用

胡雪扬

(福建省水利水电勘测设计研究院，福建 福州 350001)

相较于其他固定基础，导管架基础因其桁架式结构优势明显，近年来成功应用于多个海上风电场[1-2]。灌浆连接段作为导管架与桩基唯一的传力结构，其安全性至关重要[3-4]。目前行业内主要采用DNV规范[5]对灌浆连接段设计及校核，多位学者[6-7]也对规范中校核方法进行了理论、模拟和试验方面复核，验证其可靠性，但国内外对于灌浆连接段有限元模拟边界条件处理存在多种方式，未形成统一方法，不同方法对结果影响较大。同时，受现有施工技术条件限制，深水海域灌浆连接段无法有效清淤，为避免桩内泥土对灌浆体粘结强度影响，需将灌浆连接段设置在泥面以上，对于导管架基础结构安全运行不利。

本文结合福建某深海典型风场建设环境、施工装备水平及设计规范要求，分析现阶段灌浆连接段在深海应用的主要难点，并从有限元模拟及结构方案优化等方向对其进行分析，以期为提高灌浆连接段安全性能和施工工效提供一定借鉴建议。

1 深水海域灌浆连接段主要应用问题

1.1 深水风场建设条件

场区离岸34～42 km，水深范围为39～44 m。据现有资料，工程区50年一遇极端高水位H1%为17.53 m，底层(泥面处)设计流速为1.1 m/s，表层(海面处)设计流速为2.1 m/s。工程采用某风机厂家抗台型大容量风机，塔筒底部弯矩为18 135 kN·m，水平剪力为2 116 kN，竖向力为7 969 kN。根据现有资料及实际施工情况，场区可施工窗口期仅有100 d左右。

1.2 深水导管架基础灌浆连接段设计施工关键问题

1.2.1 深水海域设计方案

现阶段导管架基础主要参照国家能源行业标准[8]和规范[5]设计。同时，考虑到灌浆体的粘结效果与管壁清洁度关系密切，在无法确定深水海域清淤效果前提下，为确保灌浆段不受桩内泥土影响，需将其设置在泥面以上。基于上述限制条件，场区导管架基础灌浆连接段布置方案如图1所示。

1.2.2 面临的主要问题

结合深水海域建设条件、设计规范及经验和现有施工水平，灌浆连接段在结构设计上主要面临以下问题：

1)边界条件在有限元模拟中对计算精度影响。SACS软件在导管架建模、荷载模拟以及结构分析中优势明显，但由于灌浆连接段结构型式和传力方式较为复杂，且灌浆体为非线性材料，因此SACS对于灌浆体的模拟精度较差。目前工程计算主要通过SACS整体模型获取灌浆连接段受力情况，再通过有限元软件建立局部模型进行计算。在由整体分析转到局部模拟时，边界条件施加方式对于模拟精度影响明显，从而直接影响灌浆段设计方案和安全性能。现阶段暂未有文献详细对比不同边界条件模拟精确性。

2)深水施工能力限制引起的设计缺陷。考虑到深水风场桩内清淤难度大、效果差的实际情况，为保证灌浆体和管壁的粘结质量，灌浆连接段需设置泥面以上。相对于近海风场，深水海域外荷载明显增大，灌浆连接段构造长度同步增加，钢管桩需伸出泥面较长距离，考虑打桩引起的桩内土塞，钢管桩悬臂段可达到9～14 m，悬臂段过长将会直接影响灌浆段乃至导管架基础结构安全，同时导致总体用钢量增加。此外，沉桩土塞高度无法有效评估，若土塞对灌浆段造成影响，需要进行吸泥处理。当水深达到40 m以上时，常规吸泥设备效率低、效果差，对结构及施工造成极大影响。

2 边界条件对有限元模拟精度影响分析

2.1 模型几何尺寸及边界条件

灌浆连接段的几何尺寸如表1所示，材料的力学指标如表2所示。

表1 灌浆连接段几何尺寸 mm

表2 钢材及灌浆体力学参数

有限元分析中边界方式主要有三种：固定约束、位移和荷载。现阶段工程应用中主要采用的边界施加方式为一端固定约束、一端施加力的荷载(方式一)，而从SACS整体模型转向ABAQUS局部模型计算的方法类似于有限元子模型分析方法，子模型法主要采用两端施加位移边界条件(方式二)。本节分别基于上述两种施加方式对静力作用下灌浆连接段强度进行分析，并同SACS整体模型结果对比，验证边界条件施加对结果的影响。

基于第2节的导管架基础设计方案，建立SACS整体模型，如图2所示，其中灌浆连接段用等效钢管代替。基于SACS整体模型提取灌浆连接段局部模型顶端的荷载和两端位移边界条件如表3和表4所示。

表3 方式一边界荷载

表4 方式二边界荷载

图2 导管架基础SACS模型

在施加力与固定约束的边界条件时，为避免圣维南原理对局部应力的影响，对于边界条件施加方式一上端加长处理，分别建立边界条件施加方式一和方式二灌浆连接段有限元模型如图3所示。

图3 灌浆连接段有限元模型

2.2 边界条件施加方式对结果影响分析

通过计算得到两种边界条件施加方式下灌浆体最小主应力分别为-65 MPa和-46 MPa，如图4所示。根据规范[5]中最小主应力校核公式可得灌浆体允许应力为64.2 MPa，因此采用方式一存在灌浆体局部位置应力超限问题。同时，将灌浆连接段所有位置应力进行对比如表5所示。

图4 不同边界条件下灌浆体最小主应力

表5 灌浆连接段应力对比 MPa

通过对比可知当采用一端固定约束、一端施加荷载边界条件下，灌浆连接段区域整体应力要大于两端施加位移工况。基于SACS软件计算得到的导管架基础插入段在灌浆连接段区域应力如图5所示。由图6可知基于SACS计算得到的插入段整体应力水平较小，最大应力为174 MPa。将不同软件计算得到的主导管插入段Mises应力最大值对比如表6所示，其中SACS结果和施加方式二结果接近，远小于施加方式一工况下应力水平。SACS对于灌浆体模拟精度虽然较差，但不会影响基础灌浆连接段结构应力水平，因此通过对比有限元局部模型与SACS整体模型计算结果，可知施加荷载及固定约束的方式可能会导致设计方案偏保守，采用两侧施加位移的边界条件更为合理。

图5 SACS模型中灌浆连接段插入段Mises应力

表6 灌浆连接段插入段应力对比

3 基于现有施工能力的局部优化设计

深水海域灌浆连接段设计方案存在的诸多问题，主要受限于清淤施工技术能力。为有效降低桩内泥土对灌浆连接段的设计阻碍，在确保灌浆连接段结构安全的前提下，在主导管插入段下部导向段处设置多个导泥孔，并在主导管插入段下部设置密封圈，如图6所示。通过设置导泥孔，将部分桩内泥土导入主导管插入段内，可有效降低桩内土塞对灌浆连接段的影响。同时，密封圈也可在一定程度上将灌浆连接段与钢管桩内部分隔，并起到桩内刮泥的效果。通过工程区导管架基础实际施工效果来看，相较于未进行优化设计的基础，优化后的方案可将土塞影响高度降低至0.5 m以内，在避免土塞效应影响的前提下，可进一步将悬臂段长度缩短1～2 m。

图6 灌浆连接段新型设计方案

4 结 语

导管架基础在深水海域优势明显，但受限于深水海域恶劣海况、施工技术及实践经验不足等因素，主流设计理念存在一定局限性。本文结合福建某深远海风场建设环境，对现有灌浆连接段设计理念存在的问题进行分析，得到如下结论：

1)通过对比验证了位移边界条件可有效提高灌浆连接段局部有限元计算精度，从而更加精确模拟其受力状态。

2)设置导泥孔、密封圈等方案可有效降低土塞效应对灌浆连接段的影响，从而提高结构安全性、降低施工难度和风险。

3)进一步地，通过提高桩内清淤设备能力、改进桩内清淤施工手段、优化灌浆段构造等方式实现灌浆连接段设置在泥面以下的技术方案。