海上风电基础结构灌浆连接段研究综述

游先辉

(福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

全球能源危机和生存环境问题日益严峻，开发和建设可再生能源已成为全球热点。为实现“碳中和”目标，中国必须大力优化能源结构，发展可再生能源，不断削减传统能源的比重。风能、海洋能、太阳能及生物质能等均是优质可再生能源，是全球实现“碳达峰”“碳中和”的重要手段。其中海上风能具有稳定、发电效率高、储量丰富等优势，而且无噪音干扰、环境污染等问题，因而适合大规模开发和建设。

中国海上风电行业的发展历程相对较短，在近几年受国家利好政策的驱动下进入蓬勃发展期。随着风电场单机容量的不断提高，海域水深深度不断被突破，使得海上风电基础结构的成本占总投资成本的比重不断增大，甚至高达30%，这其中很大一部分原因是中国海上风电基础结构的研究进程滞后于海上风电行业的发展。

受海上风浪的影响，海上施工船舶和设备无法保证具有陆地施工的稳定性，同时，由于海上施工窗口期较短，使得海上风电的预制装配钢结构节段尺寸和重量均较大，这增大了风机支撑结构与桩基之间的连接难度。为保证施工方便，克服施工误差对整体结构传力效能的影响，工程师提出了采用灌浆连接段进行导管架与桩基之间的连接。灌浆连接段不仅能够解决超重构件拼装难度大、精度高的问题，而且能够兼顾上部结构的调平[1](灌浆连接段如图1所示)。灌浆连接段是海上风电结构连接的重要手段，本文重点综述灌浆连接的研究现状和发展前景。

图1 灌浆连接段

2 灌浆连接段的应用

海洋气候多变的特性对海上风电项目的开发和建设影响较大，特别是对于风资源好的海域，不仅施工窗口期较少，而且施工难度大。海上风电基础结构设计的制约因素通常是施工效率、施工精度及复杂环境下工艺的可行性。为使海上风电基础结构能够适应不同海洋环境，研究学者根据不同海洋环境、地质条件，提出了四种海上风机基础结构形式[2]，具体形式和适用条件详见表1。单桩基础、导管架基础无论在欧洲海域或我国海域都使用较多，占现役海上风电结构基础比例超过70%[3]。中国“十四五”能源规划显示，未来海上风电规划场址主要集中在30m～50m水深区域，未来五年，海上风电导管架基础将会被广泛采用，其附带的灌浆连接同样将被大量应用。

表1 主要基础形式及其适用水深

灌浆连接段主要应用于单桩基础和导管架基础中，因此现有关于灌浆连接段的研究和规范主要针对这两种基础形式展开。根据使用需求，海上风电灌浆连接段可以分为三种形式[4]，分别是：

(1)筒形平滑无剪力键灌浆连接段，由于其无法保证导管架与桩基之间荷载的有效传递，存在较大安全隐患，DNV-GL规范[5]已经不再推荐采用。

(2)筒形平滑有剪力键的灌浆连接段，目前在导管架基础结构中较常采用。

(3)锥形灌浆连接段，目前主要应用于变截面钢管连接，适用于单桩基础结构。

灌浆连接段最早运用于海洋石油平台或天然气开采平台[6]，改进后被广泛应用于海上风电基础结构。与海洋采油平台灌浆连接段相比，海上风电机组的基础结构灌浆连接除需承受上部结构自重、设备自重、海浪循环动力荷载和海水腐蚀作用外，还需承受风机运行时带来的动力荷载[7-8]。中国海上风电基础结构灌浆连接段的设计主要参考美国石油协会(API)、挪威船级社(DNV)等体系下的规范，对比分析可知，直接套用上述规范进行灌浆连接段的设计存在一定局限性，主要包括三点：

(1)中国海上风电规范体系尚不健全，在进行结构计算分析时，风、浪、流等环境荷载作用一般参考港口或水运工程规范，而国外海上风电规范体系基于环境荷载统计方法得到抗力系数、分项系数和组合系数的取值，这与中国港口或水运工程规范有所不同，使得不同规范体系的安全系数取值存在差异。

(2)国外设计规范给出的灌浆连接段计算方法多为经验公式，且支撑经验公式的试验年代较为久远。随着海上风电的发展，灌浆连接段的材料强度和尺寸不断增大，使得现有计算方法能否直接运用于灌浆连接段受力性能的评价还有待商榷。

(3)国外规范关于灌浆材料的强度评定标准与中国存在较大差异，同时，国外与中国海上风电场应用场景的气候条件、地址条件、海洋环境也有较大差异(如较频繁的台风灾害影响等)，因而国外规范对灌浆材料的性能要求能否适用于中国国情有待考证。

3 灌浆连接段国内外研究现状

3.1 灌浆连接段受力机理研究

最初，灌浆连接段的受力机理针对剪力键的形状开展研究。Boswell[9]采用数值分析方法对具有不同剪力键形状的灌浆连接段极限承载能力进行了分析和比较，其研究结果表明，剪力键为矩形和圆形的灌浆连接段承载能力基本相同，而剪力键采用三角形的灌浆连接段，承载能力较其它两种型式的灌浆连接段高，分析结果见图2。仲伟秋等[10]基于有限元分析方法，研究了剪力键形状的敏感性，并建议采用三角形剪力键。

图2 剪力键形状的影响

灌浆连接段的类型如前文所述，分为有剪力键和无剪力键，两者受力机理差异较大，国内外较多学者进行了大量的对比和分析。仲伟秋等[11]采用有限元分析方法，对比分析了轴力作用下设置剪力键与不设剪力键对灌浆连接段性能的影响。李炜等[12]依托某海上风电基础工程项目，通过模型试验开展了无剪力键和有剪力键对灌浆连接段受力性能影响方面的研究。结果表明，设置剪力键能显著提高灌浆连接段的受压承载能力，增强灌浆连接段各组成部分间的荷载传递能力，但均未深入分析灌浆连接段在受力至破坏过程中结构的内力组成和分布。

灌浆连接段的灌浆体在受力过程中无法被监测到，因此其受力机理的深入分析大部分需要结合有限元分析方法。Aritenang等[13]通过有限元分析研究了设置剪力键灌浆连接段的荷载传递历程、破坏机理，以及局部应力与滑移量之间的相关关系，结果显示灌浆连接段的破坏与套管的屈服强度有较大关联。Nielsen[14]通过有限元分析了运营期内风电基础灌浆连接段的受力机理，验证了灌浆连接段承载能力会受几何缺陷、粘结强度和钢管与灌浆料之间摩擦系数的影响，同时也提出了三者之间的组成模式(见图3)。这是首次提出灌浆连接段传递内力组成的文献，为后续许多研究工作提供了基础。

图3 三种剪应力与总剪应力承载能力关系图

为深入研究灌浆连接段的受力机理，Dallyn[15-16]结合既有海上结构灌浆连接段试验，进一步开展了灌浆连接段模型试验，研究了影响灌浆接触面磨损的各种因素。结果表明，压应力、位移幅度、表面粗糙度和水量是影响灌浆接触面磨损的主要因素。同时，灌浆连接段接触面的磨损可能贯穿结构的全寿命期，因此评估灌浆料完整性和性能时需考虑灌浆连接段耐磨性的影响。从灌浆连接段非理想模型状态下的缺陷着手，进一步分析了灌浆体在长期受力下直至最终破坏的主要因素。

3.2 灌浆连接段承载能力计算方法研究

灌浆连接段的受力机理研究为承载能力计算方法的建模提供了基本的模型依据。

国内外在研究灌浆连接计算方法之前首先开展了不同基础形式的分类。Lotsberg等[17]对比分析海上风电导管架基础和单桩基础灌浆连接段的受力模式发现，导管架基础灌浆连接段主要受轴向荷载作用，而单桩基础灌浆连接段则是以弯矩为主，特别是在风荷载作用下。Chellappan等[18]采用有限元分析方法，研究了灌浆连接段传递轴向荷载和弯曲荷载的能力，得到了两种荷载作用下灌浆连接段受力模式的异同点。通过分析不同基础结构，基本确立了承载力计算方法包括抗弯能力计算和轴向承载能力计算。

承载能力计算方法的形成需要大量的试验数据支撑。Billington[19]采用模型试验方法，研究了灌浆料抗压强度对灌浆连接段承载能力的影响，通过进一步处理试验数据得到的极限粘结强度计算公式被英国健康与安全执行局(HSE)规范《桩与套管连接》采用。Billington[20]为研究灌浆连接段承载能力和几何参数、材料特性等之间的相关关系，对60个试验模型开展试验研究，得到了套管径向刚度、内管径向刚度、灌浆料径向刚度、灌浆连接段的长细比、灌浆料抗压强度、灌浆料收缩性能、钢管表面粗糙度、剪力键尺寸和剪力键间距对灌浆承载能力的影响，提出了具有一定参考价值的灌浆连接段承载能力经验计算公式。虽然研究获得的计算公式具很大的局限性，但在一定参数取值范围内可以较好地评估构件的承载能力。Karsan[21]基于灌浆料连接段承载能力试验统计结果，采用线性回归方法得到了灌浆连接段承载能力计算公式，并被美国石油协会(API)规范《海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法》所采纳。

API的公式同样会受到样本数据量的影响，因此具有一定局限性。为此，有些学者尝试通过深入分析受力机理以获得更好的计算模型。例如，Aritenang等[22-23]针对无剪力键和有剪力键的灌浆连接段开展了系统研究。通过分析灌浆连接段的受力机理，提出了灌浆连接段的承载能力计算方法，并通过试验结果验证，该计算方法优于HSE和API给出的灌浆连接段承载能力计算方法。

针对已有的计算方法，一部分学者开展了一系列适用性的验证工作，为工程师使用现有计算方法提供了较明确的范围。也有一部分学者通过改进现有计算法，从而扩大其适用范围或提高其准确性。Arne等[24]通过对比分析数据库中的灌浆连接段承载能力试验结果，研究了现有灌浆连接段承载能力计算方法的适用性，并得到较适宜评价灌浆连接段承载能力的计算方法。Fehling等[25]对比分析了分别采用压杆和拉杆情况下所得的灌浆连接段承载能力，并与试验结果进行比较，进而提出改进灌浆连接段承载能力的计算方法，并采用实际工程案例对其进行了验证。

国外学者通过大量试验以及数据统计获得了经验计算方法，主要包括HSE、API、NORSOK及DNV-GL等，而我国针对海上风电灌浆连接的规范尚未形成，在国内开展的试验研究也相对较少，只有少部分学者开展了试验研究工作。王国庆等[26]、武立伟等[27]、黄立维等[28-29]、陈涛等[30]开展了一系列的参数试验，分析了各个构件参数对结构承载能力影响，为后续我国行业规范计算方法的形成提供了基础。

3.3 灌浆连接段尺寸偏心的影响研究

由于海上作业环境比陆上恶劣，极易造成灌浆连接段内部灌浆料厚度沿钢管环向不均匀分布，尺寸偏心侧的厚度小于非尺寸偏心侧。为了解尺寸偏心对灌浆连接段承载能力的影响，国内外少数学者也开展了相关研究。Lee等[31]结合试验和有限元分析方法，对比分析了同心和偏心荷载条件下灌浆连接段的强度和界面剪切特性。Lamport等[32]通过对18个灌浆连接段试验模型开展受压性能试验，分析了尺寸偏心对灌浆连接段承载能力的影响。结果表明，尺寸偏心率会降低灌浆连接段承载能力，下降比例在5%～22%。尺寸偏心如图4所示。

图4 桩-套管偏心对比

国内主要针对抗弯性能受尺寸偏心的影响开展研究。李筑轩[33]对尺寸偏心分别为0mm、0.055mm和0.083mm的灌浆连接段进行了抗弯性能试验。结果显示，尺寸偏心对灌浆连接段抗弯承载性能及刚度影响较小。陈涛[34]对有尺寸偏心灌浆连接段进行抗弯性能试验。结果同样表明，尺寸偏心对灌浆连接段的抗弯承载能力、抗弯刚度和延性影响较小。

通过分析已有规范公式可以发现，现有计算方法主要考虑理想状态下的灌浆连接段承载能力，未考虑尺寸偏心对灌浆连接段承载能力的影响，由于海上风电灌浆连接段的施工必然会造成一定的尺寸偏心，所以有必要深入分析尺寸偏心条件下的结构承载能力，以获得更准确的承载能力评估方法。

3.4 灌浆连接段疲劳性能研究

国内针对灌浆连接段疲劳性能研究还相对较少，而国外针对灌浆连接段疲劳性能研究也是近年来才起步的。现有规范多是采用容许应力法对灌浆连接段疲劳性能进行评估，该种评估方法或是偏于保守，或是无法达到设计预期。DNV-GL更新的海上风电基础结构设计规范[5]中提出了灌浆料的疲劳设计S-N曲线，并建议采用Miner线性疲劳累积损伤准则对灌浆连接段的疲劳性能进行评估。

为得到灌浆连接段的疲劳性能及其评价方法，Schaumann等[46]对海上风电灌浆连接段的疲劳性能进行了数值分析，通过对比分析应用于钢管的两种局部应力法，得到了标准数值模型和可粗略估计灌浆连接段的疲劳寿命评价方法。Lotsberg[47]为研究灌浆材料的疲劳性能，设计了具有代表性的径向刚度样本，并开展了模型试验研究，提出了相关设计方法。Jeonghwa等[48]通过模型试验和有限元分析方法，对灌浆连接段疲劳性能进行了分析，结果显示，灌浆料强度、剪力键密度和应力比对疲劳性能影响较大。黎亚舟等[49]采用热点应力方法，并结合有限元分析方法，研究了单桩基础灌浆连接段剪力键位置在弯矩作用下的应力水平，并对灌浆连接段进行疲劳性能评价。结果表明，风速对单桩基础灌浆连接段的疲劳损伤起控制作用。

综上所述，国内外针对海上风电基础灌浆连接段疲劳性能方面的试验研究、有限元分析和理论分析均相对较少。目前中国尚未出台有关海上风电基础灌浆连接段的疲劳设计S-N曲线，现有设计多是直接套用国外规范。

4 灌浆连接段试验参数统计分析

本文通过收集、统计和分析国内外灌浆连接段试验数据，得到了已有试验灌浆连接段试验模型主要参数的取值范围，统计得到了108个灌浆连接段试验数据。绘制参数分布如图5～图8所示。

图8 灌浆材料抗压强度分布

灌浆连接段试验研究在一定程度上受现有试验的设备水平的约束。由图5可以看出，现有灌浆连接段试验模型套管直径大多小于600mm，仅有6个试件直径约为600mm和1个试件直径达1500mm。从图6可见，现有灌浆连接段试验缺少高径厚比下的灌浆连接段试验，且径厚比在45～60范围内的试验也相对较少。

图5 套管直径分布

图6 内管径厚比分布

由图7可以看出，现有灌浆连接段内部灌浆料的厚度大多集中在10～40mm，而40～65mm范围内的基本处于空白。观察灌浆材料抗压强度分布，现有灌浆连接段试验的灌浆料强度基本小于100MPa，只有9个试件的灌浆体强度大于100MPa。

图7 灌浆材料厚度分布

查阅现有灌浆连接段计算方法可知，API设计方法适用于灌浆材料强度不高于110MPa的情况；ISO和NORSOK均要求灌浆强度小于80MPa。目前，海上风电发展对导管架灌浆连接段内部灌浆料的强度提出了越来越高的要求，国内已投产项目的导管架灌浆材料强度基本都大于100MPa，甚至达120MPa。

从以上分析可以发现，受试验条件的限制，国内外的试验结果几乎都来自于缩尺试件的试验，并且早期开展的大量试验试件尺度极小。另外，以往试验几乎采用较低强度的灌浆材料，而所有承载力计算方法都与灌浆材料强度有直接关系，因此这些计算公式应用于如今的应用场景是否能准确评估结构承载力有待考究。

5 结论及展望

综上所述，与早期海上风电基础灌浆连接段相比，现有灌浆连接段采用的灌浆料强度更高，且几何尺寸更大，因而能否直接采用现有灌浆连接段设计理论进行灌浆连接段的设计和施工还有待商榷。在国内海上风电规模化发展的背景下，亟需对海上风电基础灌浆连接段进行系统研究，验证现有计算方法的适用范围，获得符合现有应用场景下的计算方法，在保证结构安全的前提下，优化灌浆连接段，降低工程预算，推动我国海上风电达到平价目标。

虽然国内外学者已经开展了大量灌浆连接段的性能分析，但基于现有评估方法的局限性，笔者认为仍需对以下若干问题作进一步研究和探讨：

①海上风电基础灌浆连接段应用位置几乎都在水下，并且伴随海上风电不断往深海延伸，灌浆连接段的应用水深将超过50m。因此后续可对灌浆连接段在深水水压同时作用下的性能开展进一步研究。

②由于现有规范缺乏灌浆料的本构关系，目前大多是将混凝土的本构关系作为灌浆料的本构模型，但是由于灌浆料内部无粗骨料，因而直接套用混凝土本构关系是不合理的，所以后续可对灌浆料的本构关系开展相关研究。

③中国风资源较好的中南部海域平均水温比欧洲主要风场集中区域北海平均水温高得多，后续可开展温度作用对灌浆连接段承载能力和疲劳性能影响方面的研究。