海洋風電導管架結(jié)構(gòu)對樁徑變化位置的敏感性分析研究

侯法壘

（上海勘測設(shè)計研究院有限公司福建分公司，福建?福州?350001）

海上風力發(fā)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有重心高、所受海洋環(huán)境荷載復雜、承受的水平風力和傾覆彎矩較大等特點，海上風電機組基礎(chǔ)的造價是影響海上風電工程總造價的主要因素之一。目前，國內(nèi)外研究和應用的海上風電機組基礎(chǔ)從結(jié)構(gòu)形式上主要有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)、多角架基礎(chǔ)、導管架基礎(chǔ)、負壓桶基礎(chǔ)及浮式基礎(chǔ)[1]。

本文依據(jù)福建某項目，對導管架的設(shè)計、應用及導管架主體結(jié)構(gòu)底部灌漿連接變徑問題進行分析研究。為避免海生物附著、海水腐蝕等給變徑處帶來的風險，通過泥面以下鋼管樁變徑來滿足灌漿間隙要求[3]。同時，對樁徑變化位置進行敏感性分析，得出理想變徑點，為實際工程提供指導性建議。

1??導管架基礎(chǔ)介紹

導管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)借鑒了海洋石油平臺的概念，導管架基礎(chǔ)根據(jù)樁數(shù)不同可設(shè)計成三樁、四樁等多樁導管架，其上部采用桁架式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)剛度比三、四腳架基礎(chǔ)剛度更大[4]，適用水深和可支撐的風機規(guī)格大于三、四腳架基礎(chǔ)，適用水深一般在10～50m。水淺區(qū)域?qū)Ч芗芙Y(jié)構(gòu)的造價高于單樁結(jié)構(gòu)和三、四腳架結(jié)構(gòu)，水深越深，由于基礎(chǔ)具有剛度高的特點，經(jīng)濟性就能體現(xiàn)出來，該基礎(chǔ)形式是固定式海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中適用水深最深的一種結(jié)構(gòu)。導管架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位是塔架與導管架的連接，它控制著結(jié)構(gòu)的剛度與疲勞性能。導管架上部結(jié)構(gòu)的交叉節(jié)點較多，結(jié)構(gòu)復雜，結(jié)構(gòu)疲勞敏感性高。如圖1所示。

圖1 導管架計算模型

2??環(huán)境荷載

風機荷載：工程采用某風機廠家提供的塔筒底極限荷載，彎矩214296kN·m，剪力2605kN·m，軸力-7762kN。

水位（1985國家高程）：設(shè)計高水位2.2m，設(shè)計低水位-1.25m，極端高水位3.51m，極端低水位-2.29m。

波浪：50年一遇極端高水位H1%=15.34m，50年一遇極端低水位H1%=13.95m。

海流：工程海域?qū)僬?guī)半日潮流海區(qū)，設(shè)計流速海床面1.08m/s，0.2H處流速1.39m/s，0.4H處流速1.60m/s，0.6H處流速1.85m/s，0.8H處流速2.13m/s，表層流速2.44m/s。

其他：考慮沖刷5m，泥面以上導管架腐蝕3mm，泥面以下腐蝕1mm[5]。

3??導管架基礎(chǔ)設(shè)計

導管架基礎(chǔ)采用四樁形式，弦桿斜度1∶4.75，樁外徑2.5m，布樁半徑24m，樁長度約為85m。導管架主體與樁連接分底部錐形過渡和非錐形過渡形式，對兩種連接形式的導管架基礎(chǔ)進行強度計算。如圖2所示。

圖2 應力比結(jié)果

通過對兩種形式結(jié)構(gòu)計算可得，非錐形過渡桿件UC（桿件應力比值）為0.87，錐形過渡桿件UC為1.50。相比非錐形過渡連接，錐形過渡連接在主體結(jié)構(gòu)下部拐角處桿件應力有很大升高，結(jié)構(gòu)可靠性降低。

4??樁徑變化位置敏感性分析

海水浸沒區(qū)，海生物附著、鋼材腐蝕嚴重等都是結(jié)構(gòu)可靠性的不利因素。為提高結(jié)構(gòu)可靠度，可將泥面以下鋼管樁進行變徑，以此來實現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)與鋼管樁的灌漿間隙要求。針對該問題，下面對樁徑變化位置進行敏感性分析，通過其導管架桿件強度、節(jié)點沖減強度、基礎(chǔ)頂變形、基礎(chǔ)頂轉(zhuǎn)角變化情況進行研究，分析樁基變化位置對結(jié)構(gòu)可靠性的影響。

首先進行極端工況下的靜力分析，得到在泥面下鋼管樁彎矩值變化情況?？梢钥闯觯瑯斗磸濣c在泥面以下10～12m之間（考慮了5m沖刷），即在不考慮沖刷的情況下，反彎點在泥面以下15～17m之間。如圖3所示。

圖3 彎矩變化圖

為滿足灌漿間隙要求，在不改變上部導管架桿件外徑的情況下，鋼管樁上部外徑需由2.5m調(diào)整為2.05m，厚度保持不變。樁徑錐形過渡角度滿足規(guī)范要求[5]?？紤]插件灌漿的長度7m，露出泥面部分2m，過渡錐段長度2m，故從未沖刷泥面以下深度7m開始對樁徑變化位置進行分析研究。

從表2～表6可以看出，導管架主體桿件UC隨樁徑變化位置的深度并沒有多大變化，偏差小于2%；鋼管樁UC隨變徑位置的加深有所增加，尤其變徑位置超過反彎點15m左右時，鋼管樁UC明顯增大，偏差大于11%；節(jié)點沖剪UC隨變徑位置的加深有所增加，整體增加幅度不大，但位置超過反彎點時，UC值有較大幅度上升，偏差達到4%；基礎(chǔ)頂變形隨變徑位置的加深有所增加，整體增加幅度不大，但位置超過反彎點時，變形值有較大幅度上升，偏差達到9%以上；基礎(chǔ)頂轉(zhuǎn)角隨變徑位置的加深有所增加，在位置超過反彎點時，變形值有較大幅度上升，偏差達到5%，位置超過17m時出現(xiàn)驟升現(xiàn)象。

表2 桿件UC變化表

表3 樁 UC 變化表

表4 節(jié)點沖剪UC變化表

表5 基礎(chǔ)頂變形變化表

表6 基礎(chǔ)頂轉(zhuǎn)角變化表

通過上述結(jié)果可以看出，鋼管樁樁徑變化在不超過反彎點深度的情況下，導管架及樁的受力情況變化不大，可變徑位置深度一旦超過反彎點，結(jié)構(gòu)響應明顯增大，結(jié)構(gòu)可靠性降低。

5??結(jié)論

導管架基礎(chǔ)適用水深較深海域，因深水區(qū)域海況往往更復雜危險，提高基礎(chǔ)可靠性至關(guān)重要。導管架主體結(jié)構(gòu)需通過灌漿與鋼管樁連接，為滿足連接間隙要求，需對鋼管柱進行變徑或?qū)Σ寮M行變徑。在海水浸沒區(qū)，導管架結(jié)構(gòu)腐蝕嚴重，不確定性因素多，應盡量避免在導管架浸沒區(qū)進行插件變徑，盡可能將錐形過渡放于泥面以下，降低損壞風險，故可以對鋼管樁頂端進行變徑，以滿足灌漿間隙要求。從本文敏感性分析研究可以得出，鋼管樁變徑位置不超過樁反彎點的情況下，對鋼管樁進行變徑以實現(xiàn)灌漿連接是可行的，該方式既可以降低導管架底部的連接風險，又一定程度降低了鋼管樁的工程量，對實際工程有一定的指導意義。