海上风电灌浆连接段轴向承载力提高研究

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1、海上风电灌浆连接段轴向承载力提高研究2015年实现装机容量为500万千瓦的目标，并在示范项目取得初步成果的基础上，促进海上风电的规模发展。我国拟建2014．2015年拟开工项目如下表所示。表1．1中国2014．2015年拟开工项目Tab．1．1TheproposedconstructionprojectSfrom2014to2015inChina但是我国海上风机基础结构设计、试验、监测及施工等诸多方面的研究尚处于起步阶段，还未深入展开，相关经验较为匮乏。因此，对海上风机基础设计中的关键性技术进行研究，是结构安全运行的保障，是结构设计优化和使用寿命延长的理论和工程指导，有助于提高我国在风能源领域

2、的核心竞争力。1．2海上风电基础结构形式海上风电基础不仅是连接风机塔架和下部基础的重要连接段，还是海上风电投资的重要组成部分。从结构外观形式来看，海上风电基础基本分为以下几种类型：重力式基础、桶式基础、桩式基础、导管架基础、浮式结构。大连理工大学硕士学位论文其中重力式基础依靠自身重量直接坐落于海底基床，对海床地基土的承载力要求较高，适用面较小，但成本较小，约是桩式基础的二分之一。桶式一般采用负压桶式，将大直径的圆柱形底部开口，顶端封闭，通过抽取桶中的空气形成向下的压力，适用于软粘性沉积物海岸，但基础材料和安装成本相对较高。桩式基础通过打桩或者钻孔等将桩基础深入到海底以下一定深度，是目前海上风电

3、中应用最为广泛的基础形式。导管架基础一般由三腿或者四腿的钢管组成，同单桩一样通过打桩或者钻孔等固定到海底基床，但较单桩适应深度大。浮式结构可适用于较深海底，可应用于近海资源不足的国家，但由于它的不稳定性只能应用于海浪较低的情形。以下为工程中常见的几种海上风电基础图，图中基础从左到右依次为重力式基础、负压桶式基础、单桩式基础、导管架式基础、浮式基础。匡善器≤哥等l’∞．：r．1～再(b)负压桶式(c)单桩式(d)导管架式(e)浮式图1．2不同基础形式Fig．1．2Differentfoundationforms基础的适用深度和成本是基础形式选择的两个主要因素。每种基础的海底适用深度不同，如下表所

4、示。表1．2不同基础形式及海底适用深度Tab．1．2Differentfoundationformsandapplicablewaterdepth基础类型水深／m重力式基础O～10桶基结构0～25桩结构(单桩、三桩)O～30导管架结构(三腿、四腿)>20浮式结构>50一昌海上风电灌浆连接段轴向承载力提高研究海上风电中上部风机塔架和下部基础的连接方式通常有焊接、螺栓连接、滑入式连接和灌浆连接段连接。其中灌浆连接在重叠区域增设了灌浆料，可有效的保证塔架和基础的整体性，增加了节点刚度，减少了节点应力集中，在动力荷载作用下具有较好的耗能能力，相比于其他连接方式有较多的优势。灌浆连接段作为海上风电基础中

5、上部结构和下部桩结构的连接过渡，其为钢套管与桩体的重叠的一段同心圆柱中间注以灌浆料而成。灌浆连接段最早应用于导管架的海洋石油开采平台，把荷载从导管架传到桩继而传到海底基础(如图1．3所示)，常见的海上导管架基础和桩基础通常在钢套管和桩体上设置剪力键来提高灌浆连接段的承载能力。其具有耐腐蚀、高承载力、施工方便等优点，除应用于海上风电基础的连接外，现可扩展应用于海上平台钢管的修复和建筑钢结构的连接等工程中(如图1．4所示)。一_t．r。F一图1．3灌浆连接段连接的海洋石油开采平台和海上风电桩基础Fig．1．3Groutedconnectionoffshoreoildrillingplatforma

6、ndoffshorewindpilefoundation(a)构件连接(b)构件维修(C)节点维修(d)添加构件图1．4灌浆连接用于钢管的连接和维修Fig．1．4Groutedconnectionforsteelpipeconnectionandrepair大连理工大学硕士学位论文随着灌浆连接在欧洲海上风电的多年成功应用使灌浆连接成今后的发展趋势，对灌浆连接的质量和技术也提出了更高的要求。同时海上风电的成本相对陆上风电要高，增加的成本主要来自于海上风电的基础，并且随着海上风电基础建设的海水深度的增加而增加，甚至达到总成本的30％。灌浆连接作为海上风电基础的重要连接部分，为减少海上风电基础带来的

7、高成本，如何优化和改进灌浆连接段使其高效、经济、安全的将上部荷载传递给海底基础变得日益紧迫。1．3国内外研究现状灌浆连接段通常有两种类型的改进：一种是非预应力下的改进，包括增加材料强度、喷砂等改变接触摩擦情况、增加灌浆厚度、灌浆连接段长度、剪力键数量、剪力键形状、改变灌浆连接形式构造措施等；另一种是预应力下的改进，包括机械预应力、化学预应力、实行灌浆压仓等使灌浆料在三轴应力作用下更好的发挥作用。目