基于試驗數(shù)據(jù)庫的灌漿連接規(guī)范公式安全性評估

吳兆旗，游先輝，王根梁，單寧康

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引言

灌漿連接由兩個不同直徑鋼管進(jìn)行嵌套連接，并在兩根鋼管之間形成的環(huán)形空間內(nèi)灌注水泥基高強(qiáng)灌漿材料.灌漿連接通過管壁和灌漿體之間的剪切和摩擦傳遞內(nèi)力.在海洋環(huán)境中，工程的實施不僅受到風(fēng)、浪、濕度、強(qiáng)腐蝕等環(huán)境因素的影響，還受到施工工藝的影響.特別是樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間的連接需要在水下完成時，很難實現(xiàn)連接.灌漿連接具有整體性好、施工方便、造價低等優(yōu)點(diǎn)，在海洋工程中得到了廣泛的應(yīng)用.越來越多的海上平臺和結(jié)構(gòu)正在以這種方式連接，如采油平臺、跨海橋梁、海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)等.隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，灌漿連接已逐漸應(yīng)用于海上風(fēng)電電力基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu).

由于灌漿連接本身的復(fù)雜性和連接問題的重要性，國外學(xué)者在19世紀(jì)70年代便開始著手研究灌漿連接在海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處的受力性能，所以在積累了大量模型試驗研究的基礎(chǔ)上，美國、英國和挪威等國相繼出臺了針對海上風(fēng)電平臺灌漿連接性能研究的設(shè)計規(guī)范.經(jīng)過幾十年來的實踐改進(jìn)，便形成了相對完整的一套體系.

文獻(xiàn)[1]設(shè)計60個灌漿連接試件并對其進(jìn)行軸向荷載受壓試驗，收集結(jié)合早期試驗項目結(jié)果共450個實驗數(shù)據(jù)，通過試驗結(jié)果分析建立粘結(jié)強(qiáng)度和這些參數(shù)關(guān)系的經(jīng)驗公式.提出粘結(jié)強(qiáng)度主要分為摩擦受力與剪力鍵受力，粘結(jié)強(qiáng)度與灌漿體抗壓強(qiáng)度的平方根成正比.在考慮材料特性和海上施工條件不確定性的條件下，提出使用6.0的整體安全系數(shù)是較為合理的.文獻(xiàn)[2]進(jìn)行147個試驗結(jié)果的比較，包括62項普通連接試驗(無剪力鍵)和85項帶剪力鍵連接試驗.結(jié)果表明，對于具有剪力鍵的灌漿連接試驗而言，API規(guī)范公式比HSE規(guī)范公式具有更高的安全指數(shù)，API規(guī)范公式的平均安全系數(shù)略大于HSE規(guī)范公式.通過大量試驗數(shù)據(jù)分析表明，API規(guī)范公式的最小個體安全系數(shù)為2.5，而HSE規(guī)范公式的最小個體安全系數(shù)為1.4.文獻(xiàn)[3]提出一個灌漿連接軸力傳遞計算公式并寫入API規(guī)范中.將設(shè)計公式與71個無剪力鍵連接段試驗結(jié)果進(jìn)行對比，得出平均安全系數(shù)為8.25，最小安全系數(shù)為2.44，安全指數(shù)為3.96；與84個設(shè)置剪力鍵連接試驗結(jié)果對比，得出平均安全系數(shù)為5.05，最小安全系數(shù)為2，安全指數(shù)為4.80.

文獻(xiàn)[4]進(jìn)行了51個帶剪力鍵灌漿連接試件的試驗結(jié)果與規(guī)范計算結(jié)果對比，結(jié)果表明，API(2007)規(guī)范公式在分析灌漿連接在軸向受力時具有良好的可靠性，但對其承載性能的預(yù)估卻是嚴(yán)重低估，容易產(chǎn)生不經(jīng)濟(jì)的設(shè)計結(jié)果；DNV-GL(2016)規(guī)范公式對于灌漿連接適用性較好，雖然在灌漿連接抗剪強(qiáng)度較高情況下會產(chǎn)生低估承載力情況，但總體而言該方法得到結(jié)果安全可靠.文獻(xiàn)[5]通過模型試驗研究與數(shù)值模擬分析，認(rèn)為目前的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如DNV、NORSOK、ISO和API可以使高強(qiáng)度灌漿連接件的安全設(shè)計達(dá)到2.4～4.5的安全系數(shù).然而，由于設(shè)計方程不能考慮極限狀態(tài)下鋼的屈服約束，因此需要進(jìn)一步的研究來代替現(xiàn)有的設(shè)計方程.

綜上可知，近年來海上風(fēng)電發(fā)展迅速，不斷有學(xué)者進(jìn)行灌漿連接試驗研究與規(guī)范公式分析，因此有必要收集近年來國內(nèi)外學(xué)者所做試驗及其結(jié)果，統(tǒng)計分析試驗參數(shù)研究現(xiàn)狀，并基于此，對常用規(guī)范設(shè)計公式安全性進(jìn)行分析，為我國海上風(fēng)電建設(shè)提供設(shè)計指導(dǎo).

1 試驗數(shù)據(jù)庫建立與參數(shù)分析

1.1 數(shù)據(jù)庫建立

圖1 灌漿連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of grouted connection

通過收集整理國內(nèi)外文獻(xiàn)，獲得設(shè)置剪力鍵形式灌漿連接軸向性能的相關(guān)文獻(xiàn)26篇，并整理出404個試件的構(gòu)造參數(shù)及試驗結(jié)果數(shù)據(jù)[1-3, 5-27].剔除數(shù)據(jù)庫中253個無法獲取完整參數(shù)信息試件，文獻(xiàn)[26]中一共測試了54個試件，但由于每組試驗結(jié)果(每組3個試件)僅列出1個平均試驗結(jié)果值，得到有效試件測試結(jié)果數(shù)據(jù)量為18個.因此最終建立的數(shù)據(jù)庫中共有115個有效試件.

1.2 試驗參數(shù)分析

灌漿連接的設(shè)計通常如圖1所示，其中t為鋼管樁壁厚，h為剪力鍵高度，s為剪力鍵間距，D為鋼管樁外徑. 通過統(tǒng)計分析，并根據(jù)表1中各規(guī)范設(shè)計公式參數(shù)取值范圍，得到了試驗數(shù)據(jù)庫中不同參數(shù)真實分布情況. 這些參數(shù)包括樁管徑厚比Dp/tp、套管徑厚比Ds/ts、灌漿材料徑厚比Dg/tg、灌漿材料厚度tg、灌漿材料抗壓強(qiáng)度fcu、長徑比Lg/Dp、剪力鍵高度h、剪力鍵間距s、剪力鍵高距比h/s、剪力鍵寬高比w/h.其中，Dp為樁管直徑，Rp為樁管半徑，tp為樁管厚度，Ds為套管直徑，ts為套管厚度.

表1 各規(guī)范設(shè)計公式適用的參數(shù)取值范圍

在所收集的試驗數(shù)據(jù)庫中，灌漿連接段試件參數(shù)分布范圍見圖2.

圖2 數(shù)據(jù)庫灌漿連接段試件參數(shù)分布范圍Fig.2 Parameter range distribution of grouted connection in database

由圖2可知，現(xiàn)有試驗研究中超過50%的試件套管直徑低于400 mm, 且對于試件套管直徑超過800 mm的研究僅有一項，采用較大直徑進(jìn)行灌漿連接載荷試驗的有Lee等[5]、Billington等[6]和You等[27]，試件共計14個，套管直徑為580～1 524 mm；樁管徑厚比、套管徑厚比的選擇為低徑厚比，缺少高徑厚比下灌漿連接試驗研究，其中樁管徑厚比在45～60 mm范圍內(nèi)無相關(guān)試驗研究；灌漿厚度的選擇大部分不符合主要規(guī)范使用范圍，且主要集中于低灌漿厚度；灌漿材料抗壓強(qiáng)度的選擇大部分為低抗壓強(qiáng)度，雖滿足大部分規(guī)范公式適用范圍，但不利于實際工程實踐運(yùn)用；連接段長徑比的選擇大部分為低長徑比，主要集中于0～3范圍內(nèi)；剪力鍵高度的選擇大部分為低剪力鍵高度，主要集中于1～3 mm范圍內(nèi)，且大部分不滿足DNV-GL(2018)規(guī)范設(shè)計要求；剪力鍵間距的選擇大部分為低剪力鍵間距，主要集中于0～100 mm范圍內(nèi)，其中各規(guī)范并沒有對剪力鍵間距進(jìn)行直接范圍規(guī)定，因此可參考剪力鍵高距比的統(tǒng)計分析結(jié)果；剪力鍵高距比的選擇大部分符合各規(guī)范設(shè)計要求，主要集中于0～0.08范圍內(nèi)，且對于規(guī)范公式適用范圍之外的剪力鍵高距比也存在相關(guān)試驗研究；剪力鍵高寬比的選擇主要集中于1和2附近，即剪力鍵形狀基本滿足各規(guī)范設(shè)計要求.

2 規(guī)范設(shè)計公式安全性

通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫中試件試驗強(qiáng)度值、各規(guī)范公式設(shè)計值及其二者之比計算所有試件試驗安全系數(shù)，統(tǒng)計分析各規(guī)范公式下試驗安全系數(shù)值的分布，評估各規(guī)范承載力設(shè)計公式的安全性.

規(guī)范DNV-GL(2018)、NORSOK(2013)和ISO(2007)中灌漿連接段承載力設(shè)計公式基于荷載抗力系數(shù)法(LRFD)，公式考慮剪力鍵附近的滑動、破碎，以及灌漿材料產(chǎn)生斜裂縫而導(dǎo)致的剪切破壞.設(shè)置剪力鍵圓形灌漿連接段只考慮承載力極限狀態(tài)時，規(guī)范取材料系數(shù)γ=2，得到試驗強(qiáng)度值與設(shè)計值的比值γ0柱狀圖如圖3所示.

圖3 各規(guī)范安全系數(shù)分布Fig.3 Distribution of factor of safety

從圖3(a)可看出，DNV-GL(2018)規(guī)范試驗安全系數(shù)γ0在0.46～12.27之間浮動，γ0大于2的試件占總試件的83%，試件在γ0=3左右處的數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.39，即γ0分布離散性較小；試驗平均安全系數(shù)為6.98.因此，利用DNV-GL(2018)規(guī)范設(shè)計公式計算結(jié)果具有較高安全裕度.

從圖3(b)可看出，NORSOK(2013)規(guī)范試驗安全系數(shù)γ0在0.44～13.72之間浮動，γ0大于2的試件約占總試件的80%，試件在γ0=2左右處的數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.29，即試驗安全系數(shù)γ0分布離散性較小，試驗平均安全系數(shù)為4.45.因此，利用NORSOK(2013)規(guī)范設(shè)計公式計算結(jié)果具有良好的安全裕度.

從圖3(c)可看出，ISO(2007)規(guī)范試驗安全系數(shù)γ0在0.38～13.72之間浮動，γ0大于2的試件約占總試件的80%，試件在γ0=2左右處的數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.45，即試驗安全系數(shù)γ0分布離散性較小，試驗平均安全系數(shù)為4.15.因此，利用ISO(2007)規(guī)范設(shè)計公式計算結(jié)果具有良好的安全裕度.

美國石油協(xié)會API(2007)設(shè)計規(guī)范公式基于容許應(yīng)力設(shè)計方法(ASD)，沒有明確區(qū)分上述故障模式，考慮一定的安全系數(shù)得到正常工況下和極端工況下荷載傳遞應(yīng)力容許值.

從圖3(d)可看出，API(2007)設(shè)計規(guī)范正常工況下試驗安全系數(shù)γ0在0.55～16.65之間浮動，γ0大于2的試件達(dá)到了總試件的85%，但γ0大于6的試件只達(dá)到了總試件的33%，γ0在1～6范圍內(nèi)的試件數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.37，即γ0分布離散性較小，試驗平均安全系數(shù)為5.47，安全裕度較低.

從圖3(e)可看出，API(2007)設(shè)計規(guī)范極端工況下試驗安全系數(shù)γ0在0.41～12.44之間浮動，γ0大于2的試件達(dá)到了總試件的80%，γ0大于6的試件達(dá)到了總試件的21%，γ0在2～5范圍內(nèi)的試件數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=2.52，γ0分布離散性一般，試驗平均安全系數(shù)為4.08，安全裕度較低.

英國健康與安全執(zhí)行局HSE(2001)設(shè)計規(guī)范公式采用的安全系數(shù)考慮荷載條件，在運(yùn)行情況下，安全系數(shù)γ取6.0.從圖3(f)可看出，試驗安全系數(shù)γ0在0.46～8.35之間浮動，γ0大于2的試件達(dá)到了總試件的89%，但γ0大于6的試件只達(dá)到了總試件的20%，γ0在3～6范圍內(nèi)的試件數(shù)量最多，其標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=1.87，試驗安全系數(shù)γ0分布離散性較小.試驗平均安全系數(shù)為4.26，公式計算結(jié)果安全性為各規(guī)范中最低.

3 結(jié)語

1) 通過分析115個試件的構(gòu)造參數(shù)，發(fā)現(xiàn)基于灌漿厚度、套管徑厚比、灌漿材料徑厚比和剪力鍵高距比等滿足規(guī)范要求的情況下的較大直徑高強(qiáng)灌漿連接試驗研究成果甚少，亟需開展大直徑高強(qiáng)灌漿連接段的研究工作.

2) 規(guī)范DNV-GL(2018)試驗平均安全系數(shù)為6.98，相比其他規(guī)范平均安全系數(shù)最高，安全裕度較大，且對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差Sγ0=3.29，離散性較?。籋SE(2001)試驗平均安全系數(shù)為4.26，標(biāo)準(zhǔn)差為1.87，雖然離散性較小，但公式計算結(jié)果安全性相比各規(guī)范中最低.

3) 各規(guī)范設(shè)計公式對灌漿連接軸向承載力預(yù)測結(jié)果不盡相同，HSE(2001)設(shè)計規(guī)范公式由于公式參數(shù)設(shè)置具有局限性，導(dǎo)致計算結(jié)果安全性偏低.而DNV-GL(2018)設(shè)計規(guī)范公式在各公式計算結(jié)果對比中安全性好高、適用性廣和經(jīng)濟(jì)性好，推薦海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)灌漿設(shè)計優(yōu)先考慮采用DNV-GL(2018)規(guī)范.