施工期海上風(fēng)機(jī)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)剪力件設(shè)計(jì)

左晶晶，李 娜，羅成喜，王文華

(1.中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 新能源工程設(shè)計(jì)院，長沙 410014；2.大連理工大學(xué) a.海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.建設(shè)工程學(xué)部 工程抗震研究所，遼寧 大連 116024)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是風(fēng)機(jī)工程的關(guān)鍵部分，目前國內(nèi)外風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用較多的形式有單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、樁基承臺(tái)基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、三腳架或多腳架基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)等多種形式[1]。在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式中，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)安全性能高、施工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)[2]，已廣泛應(yīng)用于近海風(fēng)電場(chǎng)中。高樁承臺(tái)基礎(chǔ)施工過程中，封底混凝土與鋼管樁間并非完全粘結(jié)，承臺(tái)與鋼吊箱自重荷載主要依靠封底混凝土與鋼管樁間的黏結(jié)力承擔(dān)，當(dāng)承臺(tái)與鋼吊箱自重超過該粘結(jié)力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致承臺(tái)失穩(wěn)乃至破壞。針對(duì)該問題，目前主要采取的安全措施為①增加封底混凝土的厚度[3-4]，此措施經(jīng)濟(jì)性較差；②通過在鋼管樁四周焊接剪力件來增加封底混凝土與樁基間的粘結(jié)力[5-6]，該措施可確?；A(chǔ)施工安全，經(jīng)濟(jì)性明顯好于前者。不過，目前實(shí)際工程中多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定剪力件的類型及數(shù)量，設(shè)計(jì)時(shí)多偏保守。為此，考慮采用接觸單元，對(duì)鋼管樁和封底混凝土之間的粘結(jié)滑移進(jìn)行數(shù)值模擬，并選用分離式有限元模型建立包含鋼筋剪力件的整體模型，其中，通過設(shè)置非線性土彈簧來考慮下部樁土相互作用。據(jù)此開展施工階段海上風(fēng)機(jī)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)鋼管樁周圍焊接鋼筋剪力件的設(shè)計(jì)研究，比較兩種典型剪力件對(duì)封底混凝土與鋼管樁間粘結(jié)力的影響，通過改變剪力件的傾斜角度、數(shù)量和長度設(shè)計(jì)出多組剪力件設(shè)計(jì)方案，研究剪力件設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)承臺(tái)位移、封底混凝土主拉應(yīng)力、剪力件和鋼管樁等效應(yīng)力等的影響，并提出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1 有限元建模

1.1 工程背景

某海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)水深3～8 m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)均采用高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，由鋼管樁和混凝土承臺(tái)組成，塔筒通過錨栓籠與混凝土承臺(tái)連接，承臺(tái)底部高于海平面，以保證波浪不能直接作用在承臺(tái)上。該風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)量較多，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，選用裝配式鋼吊箱進(jìn)行承臺(tái)施工。

該高樁承臺(tái)基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C45高性能海工混凝土結(jié)構(gòu)，承臺(tái)直徑13.5 m、厚度4.0 m，樁長68 m，樁內(nèi)灌漿至承臺(tái)底部以下6.0 m相關(guān)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1。施工期，高樁承臺(tái)基礎(chǔ)擬分二期澆筑，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。施工時(shí)，先澆筑封底混凝土，待封底混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，安裝二期混凝土的側(cè)模板(鋼吊箱)，以封底混凝土為底模繼續(xù)澆筑二期混凝土，安裝側(cè)模板后的基礎(chǔ)模型見圖2。

圖1 施工階段樣本風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)幾何模型示意

圖2 安裝側(cè)模板后基礎(chǔ)模型示意

1.2 理論模型

1.2.1 鋼材材料參數(shù)

數(shù)值模擬中，鋼管樁和剪力件均采用雙線性等向強(qiáng)化模型(BISO)[7]，材料彈性模量Es=206 GPa，密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比v=0.3。鋼管樁屈服強(qiáng)度fy=345 MPa，鋼筋剪力件屈服強(qiáng)度fy=360 MPa。

1.2.2 混凝土材料參數(shù)

高樁承臺(tái)基礎(chǔ)封底混凝土數(shù)值模擬中使用養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的混凝土彈性模量，計(jì)算依據(jù)JTS 202-1-2010規(guī)程[8]中提供的混凝土彈性模量計(jì)算公式。

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

(1)

式中，E(t)為齡期t混凝土彈性模量；E0為混凝土最終彈性模量，通過試驗(yàn)確定；a、b均通過試驗(yàn)確定，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)分別可取0.40和0.60；t為混凝土養(yǎng)護(hù)齡期。

封底混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C45，彈性模量E0=33.5 GPa，密度ρ=2 500 kg/m3，泊松比ν=0.2。

1.2.3 接觸模型

實(shí)際工程中，封底混凝土與鋼管樁之間存在粘結(jié)滑移，粘結(jié)機(jī)理與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類似，以接觸的方式模擬二者界面處的粘結(jié)滑移關(guān)系。按照庫倫摩擦模型考慮接觸。庫倫摩擦模型通過定義1個(gè)臨界等效剪應(yīng)力作為判斷2個(gè)表面是否相對(duì)滑動(dòng)的依據(jù)，一旦剪應(yīng)力超過此臨界值，則認(rèn)為發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，該狀態(tài)稱為滑動(dòng)狀態(tài)，反之稱為粘合狀態(tài)，見圖3[9]。

圖3 庫倫摩擦模型

圖3中臨界等效剪應(yīng)力τcrit計(jì)算公式為

τcrit=μp+c

(2)

式中:μ為摩擦因數(shù)；p為接觸處法向壓應(yīng)力；c為黏聚力。

1.3 有限元模型

采用有限元分析軟件ANSYS，分離式建立承臺(tái)有限元模型，考慮鋼筋、鋼管樁與混凝土之間的黏結(jié)特性，其結(jié)果更加符合實(shí)際。利用折減鋼筋彈性模量的近似方法來考慮鋼筋剪力件與封底混凝土之間的粘結(jié)滑移。同時(shí)，對(duì)承臺(tái)模型進(jìn)行簡化處理，不考慮封底混凝土中的細(xì)部配筋，將不產(chǎn)生強(qiáng)度的二期混凝土及鋼吊箱等效為自重荷載。

分別采用SHELL163和SOLID65單元模擬承臺(tái)內(nèi)部鋼管樁與封底混凝土，兩者界面處接觸采用面-面單元，目標(biāo)單元與接觸單元分別選用TARGE170和CONTA173單元[10]；鋼筋剪力件采用BEAM188單元；承臺(tái)內(nèi)部鋼管樁內(nèi)灌漿采用SOLID65單元，界面處采用共節(jié)點(diǎn)；承臺(tái)以下泥面以上鋼管樁采用PIPE59單元，泥面以下鋼管樁采用PIPE16單元。

特別考慮到泥面以下的樁-土相互作用，采用p-y曲線模擬水平向、t-z曲線模擬軸向、Q-z曲線模擬樁端的樁土相互作用[11]。采用COMBIN39單元，在樁的每個(gè)結(jié)點(diǎn)處設(shè)置3個(gè)彈簧單元模擬水平向和軸向的樁土相互作用；在樁端部節(jié)點(diǎn)處設(shè)置1個(gè)彈簧單元模擬樁端的樁-土相互作用。施工階段，整體坐標(biāo)系下高樁承臺(tái)基礎(chǔ)有限元模型見圖4。

圖4 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)有限元模型

1.4 計(jì)算工況選取及剪力處理

施工中，封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除承重桁架和底板，依靠封底混凝土與鋼管樁之間的黏結(jié)作用來維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。本文著重分析封底混凝土施工過程中的2種最不利工況，具體見表 1。

表1 封底混凝土受力分析工況

結(jié)構(gòu)的鋼管樁直徑為1.4 m，封底混凝土厚度為0.8 m，兩者間的黏結(jié)力按照0.4 MPa計(jì)算，則樁與封底混凝土間的粘結(jié)力F為8 440 kN。封底混凝土自重G1為2 861 kN，二期混凝土自重G2為11 445 kN，鋼吊箱側(cè)模自重G3為1 470 kN。具體受力分析如下。

1)工況1。

承臺(tái)自重G=G1+G3=4 331 kN

2)工況2。

承臺(tái)自重G=G1+G2+G3=15 776 kN>F，承臺(tái)自重大于黏結(jié)力，不滿足受力要求。

工況2相應(yīng)黏結(jié)力不足以承受承臺(tái)自重，為滿足施工期高樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，通過在澆筑封底混凝土前給每根樁的樁周焊接剪力件，以增大封底混凝土與鋼管樁間的黏結(jié)力。其中，采用雙層直筋、單層斜筋兩種形式的剪力件，見圖5。

圖5 剪力件沿樁周布置方案

對(duì)工況2，通過設(shè)計(jì)兩種剪力件的數(shù)量、長度、角度等幾何參數(shù)(表2)，對(duì)比結(jié)構(gòu)受力，分析不同剪力件對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

表2 剪力件幾何參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 雙層直筋剪力件

建模時(shí)，先采用雙層平直鋼筋的剪力件形式，如圖5a)所示。剪力件數(shù)量和長度對(duì)相應(yīng)的位移、應(yīng)力影響的計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)有限元計(jì)算結(jié)果曲線圖(雙層直筋)

由圖6a)可知，隨著剪力件長度和數(shù)量的增加，承臺(tái)豎向位移減小，之后趨于穩(wěn)定。當(dāng)剪力件數(shù)量達(dá)到40根時(shí)，與設(shè)置32根剪力件時(shí)的位移結(jié)果基本一致。進(jìn)一步對(duì)比可知，剪力件數(shù)量取40根、長度取1 000 mm時(shí)，承臺(tái)豎向位移最小，此時(shí)相應(yīng)最大值為10.14 mm。由圖6可知，封底混凝土主拉應(yīng)力和剪力件等效應(yīng)力的變化規(guī)律與上述承臺(tái)整體位移類似。另外，同樣當(dāng)剪力件數(shù)量、長度分別取40根、1 000 mm時(shí)，封底混凝土整體所受拉應(yīng)力最小，相應(yīng)主拉應(yīng)力最大值達(dá)8.45 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.8 MPa，不滿足強(qiáng)度要求。而對(duì)于剪力件等效應(yīng)力，數(shù)量、長度分別為40根、600 mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果最小，其中等效應(yīng)力最大值為365 MPa，大于鋼筋屈服強(qiáng)度360 MPa，也不滿足強(qiáng)度要求。

不過，鋼管樁等效應(yīng)力的變化規(guī)律與上述結(jié)果稍有差異，見圖6b)。剪力件數(shù)量取32根或40根時(shí)，鋼管樁等效應(yīng)力結(jié)果十分接近，遠(yuǎn)小于取20根時(shí)的結(jié)果，而且基本不受剪力件長度變化的影響。經(jīng)過進(jìn)一步對(duì)比，剪力件數(shù)量、長度分別為40根、200 mm時(shí)，鋼管樁等效應(yīng)力最小，所得等效應(yīng)力最大值為126 MPa，滿足鋼管樁屈服強(qiáng)度345 MPa。

經(jīng)上述分析可知，在樁周設(shè)置雙層平直鋼筋剪力件，雖然可以保證封底混凝土滿足受力要求，但是所設(shè)剪力件鋼筋無法滿足自身的強(qiáng)度要求。

2.2 單層斜筋剪力件

由雙層直筋剪力件相應(yīng)計(jì)算結(jié)果可知，剪力件無法滿足鋼筋強(qiáng)度要求，為此嘗試將剪力件換用為單層斜筋，如圖5b)所示。

為便于分析單層斜筋剪力件的影響，首先將剪力件數(shù)量統(tǒng)一為32根，并設(shè)置不同的剪力件傾斜角度和長度，計(jì)算得出相應(yīng)的位移、應(yīng)力結(jié)果，見圖7。經(jīng)分析可知，隨著剪力件角度的增加，各項(xiàng)結(jié)果均趨于減小，傾斜角度取值超過45°后，各項(xiàng)結(jié)果變化不大，并且不同長度剪力件對(duì)應(yīng)的結(jié)果基本相同。

圖7 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)有限元計(jì)算結(jié)果曲線圖(單層斜筋)

依據(jù)上述結(jié)果分析，剪力件角度超過45°后，各項(xiàng)結(jié)果受其長度、角度的影響均較小。因此，可將剪力件角度設(shè)置為45°，繼續(xù)分析剪力件數(shù)量對(duì)相應(yīng)計(jì)算結(jié)果的影響，見圖8。

由圖8可知，剪力件數(shù)量取32根或40根時(shí)，兩者計(jì)算結(jié)果相近且基本不受剪力件長度變化的影響，但明顯小于取20根時(shí)的結(jié)果值。當(dāng)剪力件數(shù)量、長度分別取32根、200 mm時(shí)，承臺(tái)豎向位移最大值為7.98 mm，封底混凝土的主拉應(yīng)力最大值為5.89 MPa，均顯著小于采用雙層直筋時(shí)的結(jié)果。同時(shí)，該情況下剪力件、鋼管樁等效應(yīng)力的最大值分別為209.0 MPa和35.5 MPa，均滿足各自的屈服強(qiáng)度要求。

圖8 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)有限元計(jì)算結(jié)果(單層斜筋，α=45°)

進(jìn)一步對(duì)比可知，所有單層斜筋剪力件方案均使得封底混凝土滿足受力要求，其中大部分方案中的剪力件和相應(yīng)鋼管樁均滿足各自強(qiáng)度要求。此外，通過合理的細(xì)部配筋即可滿足封底混凝土的抗拉強(qiáng)度要求，細(xì)部配筋對(duì)文中的剪力件方案的比選影響不大，故不予考慮。相比于其他滿足受力及強(qiáng)度要求的方案，單層斜筋剪力件角度、數(shù)量、長度分別取45°、32根、200 mm時(shí)，在較大限度節(jié)省用鋼量的同時(shí)，能夠降低對(duì)細(xì)部配筋布置方案的影響。

3 結(jié)論

1)相較于平直鋼筋，剪力件更宜采用傾斜鋼筋設(shè)計(jì)，既節(jié)省用材，又更能保證施工期高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

2)剪力件提高粘結(jié)力的效果與其數(shù)量、長度及傾斜角度相關(guān)，但并非數(shù)量越多、長度越長或傾斜角度越大，基礎(chǔ)就越穩(wěn)定、應(yīng)力值就越小。通過建模計(jì)算及結(jié)果對(duì)比分析，可得出其中最佳的剪力件數(shù)量、長度及傾斜角度。所討論的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)應(yīng)采用單層斜筋剪力件，傾斜角度取45°、數(shù)量32根、長度200 mm。