施工期海上风机高桩承台基础剪力件设计

2021-12-17左晶晶罗成喜王文华

船海工程 2021年6期

左晶晶，李娜，罗成喜，王文华

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司新能源工程设计院，长沙 410014；2.大连理工大学 a.海岸和近海工程国家重点实验室；b.建设工程学部工程抗震研究所，辽宁大连 116024)

风机基础是风机工程的关键部分，目前国内外风机基础应用较多的形式有单桩基础、重力式基础、桩基承台基础、高桩承台基础、三脚架或多脚架基础和导管架基础等多种形式[1]。在海上风机基础形式中，高桩承台基础具有结构安全性能高、施工工艺成熟等优点[2]，已广泛应用于近海风电场中。高桩承台基础施工过程中，封底混凝土与钢管桩间并非完全粘结，承台与钢吊箱自重荷载主要依靠封底混凝土与钢管桩间的黏结力承担，当承台与钢吊箱自重超过该粘结力时，就会导致承台失稳乃至破坏。针对该问题，目前主要采取的安全措施为①增加封底混凝土的厚度[3-4]，此措施经济性较差；②通过在钢管桩四周焊接剪力件来增加封底混凝土与桩基间的粘结力[5-6]，该措施可确保基础施工安全，经济性明显好于前者。不过，目前实际工程中多根据经验来确定剪力件的类型及数量，设计时多偏保守。为此，考虑采用接触单元，对钢管桩和封底混凝土之间的粘结滑移进行数值模拟，并选用分离式有限元模型建立包含钢筋剪力件的整体模型，其中，通过设置非线性土弹簧来考虑下部桩土相互作用。据此开展施工阶段海上风机高桩承台基础钢管桩周围焊接钢筋剪力件的设计研究，比较两种典型剪力件对封底混凝土与钢管桩间粘结力的影响，通过改变剪力件的倾斜角度、数量和长度设计出多组剪力件设计方案，研究剪力件设计参数对承台位移、封底混凝土主拉应力、剪力件和钢管桩等效应力等的影响，并提出最优设计方案。

1 有限元建模

1.1 工程背景

某海上风电场设计水深3～8 m，风机基础均采用高桩承台基础，由钢管桩和混凝土承台组成，塔筒通过锚栓笼与混凝土承台连接，承台底部高于海平面，以保证波浪不能直接作用在承台上。该风电场基础数量较多，结合以往施工经验，选用装配式钢吊箱进行承台施工。

该高桩承台基础为现浇C45高性能海工混凝土结构，承台直径13.5 m、厚度4.0 m，桩长68 m，桩内灌浆至承台底部以下6.0 m相关基本结构参数见图1。施工期，高桩承台基础拟分二期浇筑，其中一期混凝土(即封底混凝土)厚0.8 m，二期混凝土厚3.2 m。施工时，先浇筑封底混凝土，待封底混凝土达到一定强度后，安装二期混凝土的侧模板(钢吊箱)，以封底混凝土为底模继续浇筑二期混凝土，安装侧模板后的基础模型见图2。

图1 施工阶段样本风机基础几何模型示意

图2 安装侧模板后基础模型示意

1.2 理论模型

1.2.1 钢材材料参数

数值模拟中，钢管桩和剪力件均采用双线性等向强化模型(BISO)[7]，材料弹性模量Es=206 GPa，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比v=0.3。钢管桩屈服强度fy=345 MPa，钢筋剪力件屈服强度fy=360 MPa。

1.2.2 混凝土材料参数

高桩承台基础封底混凝土数值模拟中使用养护龄期为7 d的混凝土弹性模量，计算依据JTS 202-1-2010规程[8]中提供的混凝土弹性模量计算公式。

E(t)=E0(1-e-atb)

(1)

式中，E(t)为龄期t混凝土弹性模量；E0为混凝土最终弹性模量，通过试验确定；a、b均通过试验确定，无试验数据时分别可取0.40和0.60；t为混凝土养护龄期。

封底混凝土强度等级为C45，弹性模量E0=33.5 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，泊松比ν=0.2。

1.2.3 接触模型

实际工程中，封底混凝土与钢管桩之间存在粘结滑移，粘结机理与钢筋混凝土结构类似，以接触的方式模拟二者界面处的粘结滑移关系。按照库伦摩擦模型考虑接触。库伦摩擦模型通过定义1个临界等效剪应力作为判断2个表面是否相对滑动的依据，一旦剪应力超过此临界值，则认为发生相对滑动，该状态称为滑动状态，反之称为粘合状态，见图3[9]。

图3 库伦摩擦模型

图3中临界等效剪应力τcrit计算公式为

τcrit=μp+c

(2)

式中:μ为摩擦因数；p为接触处法向压应力；c为黏聚力。

1.3 有限元模型

采用有限元分析软件ANSYS，分离式建立承台有限元模型，考虑钢筋、钢管桩与混凝土之间的黏结特性，其结果更加符合实际。利用折减钢筋弹性模量的近似方法来考虑钢筋剪力件与封底混凝土之间的粘结滑移。同时，对承台模型进行简化处理，不考虑封底混凝土中的细部配筋，将不产生强度的二期混凝土及钢吊箱等效为自重荷载。

分别采用SHELL163和SOLID65单元模拟承台内部钢管桩与封底混凝土，两者界面处接触采用面-面单元，目标单元与接触单元分别选用TARGE170和CONTA173单元[10]；钢筋剪力件采用BEAM188单元；承台内部钢管桩内灌浆采用SOLID65单元，界面处采用共节点；承台以下泥面以上钢管桩采用PIPE59单元，泥面以下钢管桩采用PIPE16单元。

特别考虑到泥面以下的桩-土相互作用，采用p-y曲线模拟水平向、t-z曲线模拟轴向、Q-z曲线模拟桩端的桩土相互作用[11]。采用COMBIN39单元，在桩的每个结点处设置3个弹簧单元模拟水平向和轴向的桩土相互作用；在桩端部节点处设置1个弹簧单元模拟桩端的桩-土相互作用。施工阶段，整体坐标系下高桩承台基础有限元模型见图4。

图4 高桩承台基础有限元模型

1.4 计算工况选取及剪力处理

施工中，封底混凝土达到设计强度后，拆除承重桁架和底板，依靠封底混凝土与钢管桩之间的黏结作用来维持结构的稳定。本文着重分析封底混凝土施工过程中的2种最不利工况，具体见表 1。

表1 封底混凝土受力分析工况

结构的钢管桩直径为1.4 m，封底混凝土厚度为0.8 m，两者间的黏结力按照0.4 MPa计算，则桩与封底混凝土间的粘结力F为8 440 kN。封底混凝土自重G1为2 861 kN，二期混凝土自重G2为11 445 kN，钢吊箱侧模自重G3为1 470 kN。具体受力分析如下。

1)工况1。

承台自重G=G1+G3=4 331 kN

2)工况2。

承台自重G=G1+G2+G3=15 776 kN>F，承台自重大于黏结力，不满足受力要求。

工况2相应黏结力不足以承受承台自重，为满足施工期高桩承台基础结构的稳定性要求，通过在浇筑封底混凝土前给每根桩的桩周焊接剪力件，以增大封底混凝土与钢管桩间的黏结力。其中，采用双层直筋、单层斜筋两种形式的剪力件，见图5。

图5 剪力件沿桩周布置方案

对工况2，通过设计两种剪力件的数量、长度、角度等几何参数(表2)，对比结构受力，分析不同剪力件对结构稳定性的影响。

表2 剪力件几何参数

2 结果分析

2.1 双层直筋剪力件

建模时，先采用双层平直钢筋的剪力件形式，如图5a)所示。剪力件数量和长度对相应的位移、应力影响的计算结果见图6。

图6 高桩承台基础有限元计算结果曲线图(双层直筋)

由图6a)可知，随着剪力件长度和数量的增加，承台竖向位移减小，之后趋于稳定。当剪力件数量达到40根时，与设置32根剪力件时的位移结果基本一致。进一步对比可知，剪力件数量取40根、长度取1 000 mm时，承台竖向位移最小，此时相应最大值为10.14 mm。由图6可知，封底混凝土主拉应力和剪力件等效应力的变化规律与上述承台整体位移类似。另外，同样当剪力件数量、长度分别取40根、1 000 mm时，封底混凝土整体所受拉应力最小，相应主拉应力最大值达8.45 MPa，远远超过了混凝土抗拉强度设计值1.8 MPa，不满足强度要求。而对于剪力件等效应力，数量、长度分别为40根、600 mm时，计算结果最小，其中等效应力最大值为365 MPa，大于钢筋屈服强度360 MPa，也不满足强度要求。

不过，钢管桩等效应力的变化规律与上述结果稍有差异，见图6b)。剪力件数量取32根或40根时，钢管桩等效应力结果十分接近，远小于取20根时的结果，而且基本不受剪力件长度变化的影响。经过进一步对比，剪力件数量、长度分别为40根、200 mm时，钢管桩等效应力最小，所得等效应力最大值为126 MPa，满足钢管桩屈服强度345 MPa。

经上述分析可知，在桩周设置双层平直钢筋剪力件，虽然可以保证封底混凝土满足受力要求，但是所设剪力件钢筋无法满足自身的强度要求。

2.2 单层斜筋剪力件

由双层直筋剪力件相应计算结果可知，剪力件无法满足钢筋强度要求，为此尝试将剪力件换用为单层斜筋，如图5b)所示。

为便于分析单层斜筋剪力件的影响，首先将剪力件数量统一为32根，并设置不同的剪力件倾斜角度和长度，计算得出相应的位移、应力结果，见图7。经分析可知，随着剪力件角度的增加，各项结果均趋于减小，倾斜角度取值超过45°后，各项结果变化不大，并且不同长度剪力件对应的结果基本相同。

图7 高桩承台基础有限元计算结果曲线图(单层斜筋)

依据上述结果分析，剪力件角度超过45°后，各项结果受其长度、角度的影响均较小。因此，可将剪力件角度设置为45°，继续分析剪力件数量对相应计算结果的影响，见图8。

由图8可知，剪力件数量取32根或40根时，两者计算结果相近且基本不受剪力件长度变化的影响，但明显小于取20根时的结果值。当剪力件数量、长度分别取32根、200 mm时，承台竖向位移最大值为7.98 mm，封底混凝土的主拉应力最大值为5.89 MPa，均显著小于采用双层直筋时的结果。同时，该情况下剪力件、钢管桩等效应力的最大值分别为209.0 MPa和35.5 MPa，均满足各自的屈服强度要求。

图8 高桩承台基础有限元计算结果(单层斜筋，α=45°)

进一步对比可知，所有单层斜筋剪力件方案均使得封底混凝土满足受力要求，其中大部分方案中的剪力件和相应钢管桩均满足各自强度要求。此外，通过合理的细部配筋即可满足封底混凝土的抗拉强度要求，细部配筋对文中的剪力件方案的比选影响不大，故不予考虑。相比于其他满足受力及强度要求的方案，单层斜筋剪力件角度、数量、长度分别取45°、32根、200 mm时，在较大限度节省用钢量的同时，能够降低对细部配筋布置方案的影响。