基于试验数据库的灌浆连接规范公式安全性评估

2022-01-21吴兆旗游先辉王根梁单宁康

福州大学学报(自然科学版) 2022年1期

吴兆旗，游先辉，王根梁，单宁康

(福州大学土木工程学院, 福建福州 350108)

0 引言

灌浆连接由两个不同直径钢管进行嵌套连接，并在两根钢管之间形成的环形空间内灌注水泥基高强灌浆材料.灌浆连接通过管壁和灌浆体之间的剪切和摩擦传递内力.在海洋环境中，工程的实施不仅受到风、浪、湿度、强腐蚀等环境因素的影响，还受到施工工艺的影响.特别是桩基础结构与上部结构之间的连接需要在水下完成时，很难实现连接.灌浆连接具有整体性好、施工方便、造价低等优点，在海洋工程中得到了广泛的应用.越来越多的海上平台和结构正在以这种方式连接，如采油平台、跨海桥梁、海上风电结构等.随着海上风电的发展，灌浆连接已逐渐应用于海上风电电力基础设施的基础结构.

由于灌浆连接本身的复杂性和连接问题的重要性，国外学者在19世纪70年代便开始着手研究灌浆连接在海上风电基础结构处的受力性能，所以在积累了大量模型试验研究的基础上，美国、英国和挪威等国相继出台了针对海上风电平台灌浆连接性能研究的设计规范.经过几十年来的实践改进，便形成了相对完整的一套体系.

文献[1]设计60个灌浆连接试件并对其进行轴向荷载受压试验，收集结合早期试验项目结果共450个实验数据，通过试验结果分析建立粘结强度和这些参数关系的经验公式.提出粘结强度主要分为摩擦受力与剪力键受力，粘结强度与灌浆体抗压强度的平方根成正比.在考虑材料特性和海上施工条件不确定性的条件下，提出使用6.0的整体安全系数是较为合理的.文献[2]进行147个试验结果的比较，包括62项普通连接试验(无剪力键)和85项带剪力键连接试验.结果表明，对于具有剪力键的灌浆连接试验而言，API规范公式比HSE规范公式具有更高的安全指数，API规范公式的平均安全系数略大于HSE规范公式.通过大量试验数据分析表明，API规范公式的最小个体安全系数为2.5，而HSE规范公式的最小个体安全系数为1.4.文献[3]提出一个灌浆连接轴力传递计算公式并写入API规范中.将设计公式与71个无剪力键连接段试验结果进行对比，得出平均安全系数为8.25，最小安全系数为2.44，安全指数为3.96；与84个设置剪力键连接试验结果对比，得出平均安全系数为5.05，最小安全系数为2，安全指数为4.80.

文献[4]进行了51个带剪力键灌浆连接试件的试验结果与规范计算结果对比，结果表明，API(2007)规范公式在分析灌浆连接在轴向受力时具有良好的可靠性，但对其承载性能的预估却是严重低估，容易产生不经济的设计结果；DNV-GL(2016)规范公式对于灌浆连接适用性较好，虽然在灌浆连接抗剪强度较高情况下会产生低估承载力情况，但总体而言该方法得到结果安全可靠.文献[5]通过模型试验研究与数值模拟分析，认为目前的设计标准如DNV、NORSOK、ISO和API可以使高强度灌浆连接件的安全设计达到2.4～4.5的安全系数.然而，由于设计方程不能考虑极限状态下钢的屈服约束，因此需要进一步的研究来代替现有的设计方程.

综上可知，近年来海上风电发展迅速，不断有学者进行灌浆连接试验研究与规范公式分析，因此有必要收集近年来国内外学者所做试验及其结果，统计分析试验参数研究现状，并基于此，对常用规范设计公式安全性进行分析，为我国海上风电建设提供设计指导.

1 试验数据库建立与参数分析

1.1 数据库建立

图1 灌浆连接示意图Fig.1 Schematic diagram of grouted connection

通过收集整理国内外文献，获得设置剪力键形式灌浆连接轴向性能的相关文献26篇，并整理出404个试件的构造参数及试验结果数据[1-3, 5-27].剔除数据库中253个无法获取完整参数信息试件，文献[26]中一共测试了54个试件，但由于每组试验结果(每组3个试件)仅列出1个平均试验结果值，得到有效试件测试结果数据量为18个.因此最终建立的数据库中共有115个有效试件.

1.2 试验参数分析

灌浆连接的设计通常如图1所示，其中t为钢管桩壁厚，h为剪力键高度，s为剪力键间距，D为钢管桩外径. 通过统计分析，并根据表1中各规范设计公式参数取值范围，得到了试验数据库中不同参数真实分布情况. 这些参数包括桩管径厚比Dp/tp、套管径厚比Ds/ts、灌浆材料径厚比Dg/tg、灌浆材料厚度tg、灌浆材料抗压强度fcu、长径比Lg/Dp、剪力键高度h、剪力键间距s、剪力键高距比h/s、剪力键宽高比w/h.其中，Dp为桩管直径，Rp为桩管半径，tp为桩管厚度，Ds为套管直径，ts为套管厚度.

表1 各规范设计公式适用的参数取值范围

在所收集的试验数据库中，灌浆连接段试件参数分布范围见图2.

图2 数据库灌浆连接段试件参数分布范围Fig.2 Parameter range distribution of grouted connection in database

由图2可知，现有试验研究中超过50%的试件套管直径低于400 mm, 且对于试件套管直径超过800 mm的研究仅有一项，采用较大直径进行灌浆连接载荷试验的有Lee等[5]、Billington等[6]和You等[27]，试件共计14个，套管直径为580～1 524 mm；桩管径厚比、套管径厚比的选择为低径厚比，缺少高径厚比下灌浆连接试验研究，其中桩管径厚比在45～60 mm范围内无相关试验研究；灌浆厚度的选择大部分不符合主要规范使用范围，且主要集中于低灌浆厚度；灌浆材料抗压强度的选择大部分为低抗压强度，虽满足大部分规范公式适用范围，但不利于实际工程实践运用；连接段长径比的选择大部分为低长径比，主要集中于0～3范围内；剪力键高度的选择大部分为低剪力键高度，主要集中于1～3 mm范围内，且大部分不满足DNV-GL(2018)规范设计要求；剪力键间距的选择大部分为低剪力键间距，主要集中于0～100 mm范围内，其中各规范并没有对剪力键间距进行直接范围规定，因此可参考剪力键高距比的统计分析结果；剪力键高距比的选择大部分符合各规范设计要求，主要集中于0～0.08范围内，且对于规范公式适用范围之外的剪力键高距比也存在相关试验研究；剪力键高宽比的选择主要集中于1和2附近，即剪力键形状基本满足各规范设计要求.

2 规范设计公式安全性

通过统计数据库中试件试验强度值、各规范公式设计值及其二者之比计算所有试件试验安全系数，统计分析各规范公式下试验安全系数值的分布，评估各规范承载力设计公式的安全性.

规范DNV-GL(2018)、NORSOK(2013)和ISO(2007)中灌浆连接段承载力设计公式基于荷载抗力系数法(LRFD)，公式考虑剪力键附近的滑动、破碎，以及灌浆材料产生斜裂缝而导致的剪切破坏.设置剪力键圆形灌浆连接段只考虑承载力极限状态时，规范取材料系数γ=2，得到试验强度值与设计值的比值γ0柱状图如图3所示.

图3 各规范安全系数分布Fig.3 Distribution of factor of safety

从图3(a)可看出，DNV-GL(2018)规范试验安全系数γ0在0.46～12.27之间浮动，γ0大于2的试件占总试件的83%，试件在γ0=3左右处的数量最多，其标准差Sγ0=3.39，即γ0分布离散性较小；试验平均安全系数为6.98.因此，利用DNV-GL(2018)规范设计公式计算结果具有较高安全裕度.

从图3(b)可看出，NORSOK(2013)规范试验安全系数γ0在0.44～13.72之间浮动，γ0大于2的试件约占总试件的80%，试件在γ0=2左右处的数量最多，其标准差Sγ0=3.29，即试验安全系数γ0分布离散性较小，试验平均安全系数为4.45.因此，利用NORSOK(2013)规范设计公式计算结果具有良好的安全裕度.

从图3(c)可看出，ISO(2007)规范试验安全系数γ0在0.38～13.72之间浮动，γ0大于2的试件约占总试件的80%，试件在γ0=2左右处的数量最多，其标准差Sγ0=3.45，即试验安全系数γ0分布离散性较小，试验平均安全系数为4.15.因此，利用ISO(2007)规范设计公式计算结果具有良好的安全裕度.

美国石油协会API(2007)设计规范公式基于容许应力设计方法(ASD)，没有明确区分上述故障模式，考虑一定的安全系数得到正常工况下和极端工况下荷载传递应力容许值.

从图3(d)可看出，API(2007)设计规范正常工况下试验安全系数γ0在0.55～16.65之间浮动，γ0大于2的试件达到了总试件的85%，但γ0大于6的试件只达到了总试件的33%，γ0在1～6范围内的试件数量最多，其标准差Sγ0=3.37，即γ0分布离散性较小，试验平均安全系数为5.47，安全裕度较低.

从图3(e)可看出，API(2007)设计规范极端工况下试验安全系数γ0在0.41～12.44之间浮动，γ0大于2的试件达到了总试件的80%，γ0大于6的试件达到了总试件的21%，γ0在2～5范围内的试件数量最多，其标准差Sγ0=2.52，γ0分布离散性一般，试验平均安全系数为4.08，安全裕度较低.

英国健康与安全执行局HSE(2001)设计规范公式采用的安全系数考虑荷载条件，在运行情况下，安全系数γ取6.0.从图3(f)可看出，试验安全系数γ0在0.46～8.35之间浮动，γ0大于2的试件达到了总试件的89%，但γ0大于6的试件只达到了总试件的20%，γ0在3～6范围内的试件数量最多，其标准差Sγ0=1.87，试验安全系数γ0分布离散性较小.试验平均安全系数为4.26，公式计算结果安全性为各规范中最低.