海上风机桩基础与导管架的灌浆连接

计算结果表明, 双面设置剪切键连接的整体效果 要优于单面设置剪切键情况; 同时考虑到单面设置剪 切键的连接在竖向荷载作用下一般在不设剪切键的接 触面首先发生较大位移, 单面设置剪切键连接能力受 限制, 所以在工程上应用, 优先考虑选用双面设置剪 切键。
单面设置剪切键的连接型式以在钢管桩外壁设置 剪切键的效果为好, 并且焊制剪切键方便。工程应用 上, 受导管架腿柱内径设计的影响, 在腿柱内壁设置 剪切键存在难度时, 可以考虑在钢管桩外壁单面设置 剪切键, 其连接效果较普通的管连接有一定程度的增 强。 213 环形空间宽度
设置形式可分单面设置与双面设置, 采用有限元 分析对环形空间内剪切键不同形式的连接效果进行了 比较分析。计算模型如图 2~ 图 4所示。
图 1 连接段试验模型设计图 (单位: mm)
试验时将模型下部放入水 中以模拟水下 灌注环 境, 采用 015 B1的浆液灌注。
试验发现: 采用顶部灌浆结石体内部有大量的蜂 窝状孔隙, 与管壁粘结不紧密, 灌浆效果较差; 采用 底部灌浆结石体与管壁粘结比较密实, 结石体内部的 蜂窝状孔隙很小, 且较少, 灌浆效果较好。建议连接 段灌浆采用底部灌注的施工工艺, 在浆液充满环形空 间后, 进行一段时间的压力闭浆。
文献标识码: B
文章编号: 100020860( 2009) 0920039205
G rout ing conn ect ion betw een p ile founda tion and ja cket for offshor e w ind turb ine HUANG L i2we i1, 2, YANG Feng1, 2, ZHANG Jin2jie1, 2
结果进行分 析。建 立有 限元 计算 模 型 ( 1 / 4 试验 模 型 ), 计算分析时两个模型的灌浆连接段长度及材料 参数相同, 模型的几何及材料参数如表 1所列。
表 1 计算模型几何及材料参数
模型及 灌浆段 腿柱内 钢管外 钢泊 结石体 钢弹模 结石体 材料 长 /mm 径 /mm 径 /mm 松比 泊松比 /M Pa 弹模 /M Pa
海上风机导管架基础的连接段一般完全或部分处 于水下, 可采用上部灌注和底部灌注两种施工工艺, 分别进行了模型灌浆对比试验。
选用直径 50 mm钢管 (模拟钢管桩 )、直径 130 mm 钢管 (模拟导管架腿柱 ) 构成环形空间试验模 型, 在 其内部进行灌浆试验; 在钢管桩模型外壁和腿柱模型 内壁均匀设置环向剪切键, 键高 5 mm, 键宽 10 mm, 间距 150 mm。试验模型设计见图 1。
水利水电技术 第 40 卷 2009 年第 9期
海上风机桩基础与导管架的灌浆连接
黄立维1, 2, 杨 锋 1, 2, 张金接 1, 2
( 11 中国水利水电科学研究院, 北京 100038; 21北京中水科水电科技开发有限公司, 北京 100038)
摘 要: 对海上风机桩基础与导管架的灌浆连接技术进行了总结, 并通过室内试验和有限元计算分
( 11China Institute ofW a ter R esources and H ydropower R esearch, Be ijing 100038, Ch ina;
21 Be ijing IWHR Technology Co1, Ltd1, Be ijing 100038, Ch ina)
1 灌浆材料和工艺比选
111 灌浆材料 可选用的连接灌浆材料 有普通水泥浆、环氧 胶
泥及高强灌浆料等。普通水泥浆灌浆价格 低廉、 材
收稿日期: 20092072 06 基金项目: / 十一五 0国家科技支撑计 划课题 / 近海 风电场选 址及风电
机组运行、维护技 术开 发 0 ( 2006BAA01A24 ); / 十 一五 0 国家科技支撑计划课题 /近 海风电 机组施 工、测试 专用设 备的研制 0 ( 2006BAA01A27)。 作者简介: 黄立维 ( 1982) ), 男, 硕士。
灌浆连接段长度为 500 mm, 环形空间内环向布 置剪切键, 环形空间宽度为 40 mm, 剪切键宽度分别 为 3 mm、 5 mm、 10 mm、 15 mm、 20 mm、 25 mm、 50 mm、 100 mm、 200 mm, 模型其他 参数同上。剪 切键宽度变化对连接效果的影响如图 6所示。
近年来我国风电发展迅速, 但海上风电开发仍处 于起步阶段。风机基础是海上风电建设的重要环节, 鉴于我国东部近海区域海底以淤泥质软土为主、施工 装备能力有限, 海上风机基础的建设与已有海上风电 开发经验的欧洲国家相比会有较大的不同, 近阶段我 国海上风机基础将以多桩承台型式为主。桩基导管架 组合结构作为海上风机基础的一种型式, 通过对桩基 础与导管架腿柱之间的环形空间进行灌浆, 将导管架 与桩基础连接成一个有机整体。
根据计算结果, 环形空间宽度变化对连接效果的 影响综合成果如图 5所示。
图 3 钢管桩外壁设置剪切键 (单位: mm) 图 4 双面 设置剪切键 (单位: mm )
图 5 灌浆结石体最大节点应力及竖向位 移 随环形空间宽度变化曲线
环形空间宽度在 40 ~ 50 mm 范围内, 出现的最 大节点应力相对较小, 应力分布比较均匀, 且没有出 现较大的位移分布, 整体效果比较好, 因此, 环形空 间的设计宽度以 40~ 50 mm为宜。 214 剪切键宽度
海上风机桩基础与导管架腿柱的灌浆连接在欧洲 一些海上风电技术较发达的国家已有应用, 如 F INO 海上风电 场。 5DESIGN OF OFFSHORE W IND TUR2 BINE STRUCTURES( DNV2OS2J101) 6提出了海上风机 桩基础与上部结构的灌浆连接的 方案 [ 1] 。我 国导管
建立有限元计算模型时, 灌浆连接段长度为 500 mm, 保持钢管桩模型的外径 50 mm 不变, 通过改变腿柱 模型的内径来改变环形空间宽度, 环形空间依次选用
水利水电技术 第 40 卷 2009 年第 9期
图 6 灌浆结石体最大节点应力随剪切键宽度变化曲线
由图 6可知, 在相等的竖向荷载作用下, 剪切键 宽度在 5~ 25 mm 时, 灌浆结石体的节点应力 较小; 当剪切键键宽大于 25 mm 时, 随着剪切键宽度的增 大, 其最大节点应力不断增大, 连接段剪切键作用效 果减弱。剪切键宽度小于 10 mm, 加工制作不方便, 剪切键宽度大于 15 mm 时, 影响焊接质量, 建议在 环形空间设置剪 切键时, 其 宽度选择在 10 ~ 15 mm 为宜。 215 剪切键高度
2 灌浆连接设计
211 普通管连接与设置剪切键的连接 按照试验模型尺寸, 对设置剪切键的连接和普通
管连接的作用效果进行有限元计算, 并结合力学试验
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图 2 腿柱内 壁设置剪切键 (单位: mm )
采用连接段 轴向四分之一 模型, 划分六 面体网 格, 对钢管桩施加固定约束, 对腿柱的上部截面施加 011MP a的竖向均布荷载, 有限元分析计算结果如表 2 所 列。
01 282 01 135 01 118
01 395 01 122 01 124
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黄立维, 等 M海上风机桩基础与导管架的灌浆连接
30 mm、 35 mm、 40 mm、 45 mm、 50 mm、 55 mm、 60 mm、 80 mm进行计算。模型其他参数同上。
表 2 不同剪切键设置模型计算结果
模型类型
结石体最大 节点竖向 位移 /m
结石体最大 结石体最大 节点竖向压 节点 Von M ises 应力 /MPa 应力 /M Pa
腿柱内壁设置剪切键 钢管桩外壁设置剪切键 双面设置剪切键
61 180 @10- 3 31 166 @10- 3
21 4 @10- 3
剪切键高度优化计算时, 灌浆连接段长度为 500 mm,
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黄立维, 等 M海上风机桩基础与导管架的灌浆连接
环形空间宽度为 40 mm, 剪切键宽度为 10 m 8 mm、 9 mm、 10 mm 和 12 mm, 模型其他参数同上。剪切键高度变化对连 接效果的影响如图 7所示。
架腿柱与桩基础的灌浆连接在海洋平台的建设中应用 较多, 积累了一定的设计与施工经验, 并对桩基础和
导管架腿 柱的灌 浆连接 提出了 相关 技术要 求 [ 1, 2, 4] , 但将导管架腿柱与桩基础的灌浆连接应用在海上风电 场建设中, 需要充分考虑海上风机承受较大的水平荷 载, 连接段承受弯矩较大, 对灌浆连接的质量和作用 效果提出了更高的要求。
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料易得, 在海洋工程中得到广泛应用, 但水泥浆结 石体易收缩, 抗压强度和粘结强度较低; 环氧胶 泥 物理力学性能良好, 但其价格昂贵; 高强灌浆料 具 有大流动度、无收缩、早强及高 强等特点, 28 d 抗 压强度可达 90 MP a以 上, 与 钢材的 粘结 强度可 达 6 MP a以上, 且配制简 单, 价 格适中 [ 5] , 满足海 上 风机导管架灌浆对材料指标的要求, 推荐海上风 机 桩基础与导管架腿柱的灌浆连接材料采用高强灌浆 料。 112 灌浆工艺
析, 从灌浆材料、施工工艺、设剪切键的作用和环形空间内部结构设计等方面, 对桩基础与导管架的
灌浆连接技术进行探讨。根据某海上风电场的地质及荷载条件, 对所取得的研究成果进行了计算验
证, 可为海上风电建设或海上类似工程提供参考。
关键词: 海上风机; 灌浆连接; 剪切键; 风力发电; 设计
中图分类号: TK8
Abstr ac t: The technology of the grouting connection between the p ile founda tion and the jacket for the offshore wind turbine is summ ar ized he re in, and then the technology is discussed from the aspects of the groutingm ate ria,l construction process; function of the shear key, design of the internal structure of the annular space, etc1 through the laboratory test and fin ite elem en t analysis1 In accordance with the geologica l and load cond itions of an offshore w ind farm, the result of the study is verified with the relevant ca lcu la tion; wh ich can provide a reference for the construction of the offshore w ind farm and the othe r s im ila r projects1 K ey word s: offshore wind turb ine; grouting connection; shear key; wind power gene ra tion; design