孫建軍，韓亮，李云龍

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

鋼管混凝土組合樁在海上風(fēng)電基礎(chǔ)中的應(yīng)用

孫建軍，韓亮，李云龍

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

文章借鑒鋼管混凝土構(gòu)件受力特性優(yōu)良的特點(diǎn)，作為一種新型復(fù)合樁基結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中。有限元計(jì)算結(jié)果表明：組合樁基礎(chǔ)具有樁基受力分布均勻，單樁受力小，結(jié)構(gòu)變形小，結(jié)構(gòu)自振頻率易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地適用于風(fēng)機(jī)設(shè)備的循環(huán)疲勞荷載，是一種經(jīng)濟(jì)可行的結(jié)構(gòu)方案。

海上風(fēng)電；風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)；鋼管混凝土；結(jié)構(gòu)分析

0 引言

國(guó)內(nèi)外風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式有很多種，包括導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁墩臺(tái)基礎(chǔ)、低樁承臺(tái)基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)及漂浮型基礎(chǔ)等[1-2]，不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)適用于不同的工程條件。由于受工程投資、施工技術(shù)等因素限制，國(guó)內(nèi)90%以上的海上風(fēng)電工程都分布在近海灘涂區(qū)及淺水區(qū)。對(duì)于近海灘涂區(qū)及淺水區(qū)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要以高樁墩臺(tái)基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)和單樁基礎(chǔ)為主，因地制宜的采用低樁承臺(tái)基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)。

對(duì)于近海區(qū)域樁基形式的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，目前采用的樁基主要以鋼管樁、PHC樁和灌注樁為主。本文提到的鋼管混凝土組合樁指的是考慮鋼護(hù)筒與鋼筋混凝土樁聯(lián)合受力的樁基結(jié)構(gòu)，它的受力特性與鋼管混凝土構(gòu)件有很多共同點(diǎn)[3]。目前鋼管混凝土構(gòu)件主要應(yīng)用在建筑工程、橋梁工程和內(nèi)河大水位差樁基碼頭工程中[4-5]，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)工程中尚未有應(yīng)用案例。

1 工程概述

該工程位于天津港地區(qū)某防波堤外側(cè)，由于受邊界條件的限制，風(fēng)機(jī)點(diǎn)位須沿堤布置，且不得超出防波堤外側(cè)坡腳線，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)坐落于防波堤外側(cè)坡面上。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選型必須充分考慮基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)已建防波堤的影響，經(jīng)過綜合比較，最終選用低樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式作為推薦方案。結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

工程位置泥面高程-1.0~-2.0 m，為典型的軟土地基，地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)波浪資料見表1、表2。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：m）Fig.1 Structural cross section of support structure（m）

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical index of soil layer

表2 設(shè)計(jì)波浪要素Table 2 Design wave parameter

由于所在區(qū)域缺乏實(shí)測(cè)資料，對(duì)于海冰的設(shè)計(jì)參數(shù)可按JTS 144-1—2010《港口工程荷載規(guī)范》相關(guān)規(guī)定采用。本工程設(shè)計(jì)冰厚采用塘沽地區(qū)的50 a一遇設(shè)計(jì)冰厚0.395 m，海冰單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.03 MPa。

本工程設(shè)計(jì)高水位為4.30 m，極端高水位為5.88 m。根據(jù)基礎(chǔ)頂面不上水的要求，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)頂面高程最低為8.0 m。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臨海側(cè)承受波浪、海流及海冰的直接作用。

2 樁基選型

對(duì)于陸上風(fēng)機(jī)和潮間帶風(fēng)機(jī)，由于裝機(jī)容量相對(duì)較小，風(fēng)機(jī)設(shè)備荷載也相對(duì)較小，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)多采用重力式基礎(chǔ)或低樁承臺(tái)基礎(chǔ)。低樁承臺(tái)基礎(chǔ)采用的樁基主要是灌注樁或PHC樁，基礎(chǔ)承臺(tái)一般埋設(shè)在地面以下，承臺(tái)頂面以上大多有一定厚度的覆土，故樁基受力條件相對(duì)較好。對(duì)于離岸式海上風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)多采用鋼管樁承臺(tái)基礎(chǔ)或?qū)Ч芗芑A(chǔ)，由于樁基受土體約束條件相對(duì)較差，且樁身受波浪、水流及冰荷載的直接作用，故樁基多為大直徑鋼管樁，且入土深度相對(duì)較深。

2.1 鋼管樁

鋼管樁是海上風(fēng)電基礎(chǔ)采用的主要樁型，優(yōu)點(diǎn)是抗彎能力強(qiáng)、承載力高、耐錘擊、貫穿能力強(qiáng)，且施工速度快、施工經(jīng)驗(yàn)成熟、應(yīng)用較為廣泛。在海上風(fēng)電項(xiàng)目中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)多采用大直徑鋼管樁承臺(tái)或?qū)Ч芗芑A(chǔ)。由于本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)依托于已建防波堤堤身結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)部分結(jié)構(gòu)埋在堤身之內(nèi)，樁基基本處于無懸臂狀態(tài)。這與國(guó)內(nèi)已建的大多數(shù)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有較大區(qū)別，樁基的受力條件相對(duì)較好，故本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)摒棄傳統(tǒng)大直徑鋼管樁方案，改用常規(guī)直徑鋼管樁。

設(shè)計(jì)方案采用13根φ1 400鋼管樁，基礎(chǔ)中心布置1根，其余12根在墩臺(tái)底部沿直徑11 m的圓均勻布置，樁底高程-60 m。為了提高結(jié)構(gòu)的水平剛度，除中心樁為直樁外，其余樁均采用斜度為4∶1的斜樁，樁頂深入承臺(tái)內(nèi)1.5 m，自樁頂往下15 m采用C35混凝土灌芯。經(jīng)有限元軟件計(jì)算，本基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案承載能力、最大變位等均能滿足規(guī)范要求，方案可行。

但由于鋼管樁打樁船作業(yè)對(duì)水深有一定要求，本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)位于防波堤外側(cè)坡面上，為了能滿足大型打樁船作業(yè)要求，需要在堤身外側(cè)局部范圍內(nèi)開挖水上施工通道。打樁作業(yè)完成后，為了保證堤身的安全穩(wěn)定，還需將開挖部分進(jìn)行回填處理，故采用鋼管樁方案需要投入較大的施工措施費(fèi)用。另外，鋼管樁基礎(chǔ)自身造價(jià)與其他形式基礎(chǔ)相比也沒有明顯優(yōu)勢(shì)，所以在本工程中采用鋼管樁方案，工程造價(jià)相對(duì)較高。

2.2 灌注樁

灌注樁低樁承臺(tái)基礎(chǔ)一般應(yīng)用于陸上和潮間帶風(fēng)電基礎(chǔ)，承臺(tái)埋設(shè)在泥面以下，基礎(chǔ)頂部有一定厚度覆土。本工程中風(fēng)機(jī)位于斜坡堤外側(cè)坡面，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)部分外露在堤身之外，受波浪、水流及冰荷載直接作用，故本工程基礎(chǔ)承臺(tái)中灌注樁的樁身受力比普通低樁承臺(tái)樁基受力大很多。本工程設(shè)計(jì)方案采用C45 F300鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)頂高程8.0 m，承臺(tái)總高度5.5 m，承臺(tái)底面直徑25 m，承臺(tái)底下打設(shè)22根φ1 400 mm灌注樁，分兩圈布置，外圈沿直徑22 m圓均勻布置16根樁，內(nèi)圈沿直徑10 m圓均勻布置6根樁，樁底高程均為-55 m。經(jīng)計(jì)算，由于樁基均為直樁，承臺(tái)抵抗水平力作用比較差，灌注樁樁身所受彎矩很大，且處于“拉彎”受力狀態(tài)，故樁身截面需要較大的配筋率，才能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 PHC樁

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)要承受較大的冰荷載和波浪力，與風(fēng)機(jī)荷載組合后，對(duì)樁身產(chǎn)生較大的不利作用。經(jīng)計(jì)算，在極端工況下樁基所受彎矩較大，超出國(guó)內(nèi)PHC樁抗裂容許彎矩，故不考慮采用PHC樁。

2.4 鋼管混凝土組合樁

鋼管混凝土構(gòu)件在受力特性上明顯優(yōu)于同尺度的鋼筋混凝土構(gòu)件，但其弱點(diǎn)是：構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)處較為薄弱。鋼管樁的抗彎承載力要比同尺度的混凝土灌注樁大很多，但鋼管混凝土構(gòu)件的抗彎性能要明顯優(yōu)于同尺度的空心鋼管。若將鋼管混凝土構(gòu)件作為承臺(tái)的樁基結(jié)構(gòu)，就能在很好地克服其弱點(diǎn)的同時(shí)，充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)特性。

根據(jù)鋼管樁基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ)的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)樁身彎矩設(shè)計(jì)值很大，且樁基處于“拉彎”受力狀態(tài)，此種受力狀態(tài)下，對(duì)樁基的抗彎要求最高，為了滿足設(shè)計(jì)要求，鋼管樁基礎(chǔ)一般需要增大樁徑或者增加壁厚，灌注樁基礎(chǔ)一般需要增大直徑或設(shè)置較大的截面配筋率。但計(jì)算結(jié)果也表明，基礎(chǔ)承臺(tái)樁基結(jié)構(gòu)只有在樁頂處彎矩較大，隨著樁基入土深度的增加，土體對(duì)樁基的約束作用增強(qiáng)，樁身彎矩隨深度增加迅速衰減，在承臺(tái)底面以下10 m左右，樁身彎矩已衰減至最大值的40%。另外，計(jì)算結(jié)果還表明隨著承臺(tái)樁數(shù)的增多，樁基受力分布更加均勻，單樁最大壓樁力和拉樁力都有所減小。根據(jù)研究所得的樁基受力特點(diǎn)，結(jié)合鋼管混凝土的結(jié)構(gòu)特性，推出以下鋼管混凝土組合樁基礎(chǔ)方案。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承臺(tái)采用C45 F300鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)頂高程8.0 m，承臺(tái)總高度為5.5 m，墩臺(tái)底面直徑為23 m，承臺(tái)底下打設(shè)28根φ1 200 mm鋼管混凝土組合樁，分兩圈布置，外圈沿直徑20 m圓均勻布置20根樁，內(nèi)圈沿直徑9 m圓均勻布置8根樁，樁頂深入承臺(tái)1.2 m，樁身自樁頂向下12 m為鋼管段，樁底高程-50 m。組合樁鋼管采用φ1 200 mm鋼管樁，材質(zhì)選用Q345b型，樁身設(shè)計(jì)壁厚t=20 mm，計(jì)算厚度取t=16 mm。樁身外側(cè)涂防腐涂層，并做犧牲陽極保護(hù)。

組合樁方案的設(shè)計(jì)理念是減小灌注樁樁徑，增加樁基數(shù)目，使承臺(tái)下樁基受力分布更為均勻，從而可以適當(dāng)減小樁長(zhǎng)，節(jié)省灌注樁工程量。但由于減小了樁徑，樁身抗彎能力不足，所以需要在樁頭處設(shè)置鋼管段，提高樁身局部位置處的截面抗彎性能。組合樁方案中樁基的抗壓和抗拔承載力還是由灌注樁的樁長(zhǎng)決定，受彎作用明顯的樁頭處的抗彎承載力是由鋼管混凝土構(gòu)件承受，彌補(bǔ)了灌注樁抗彎性能相對(duì)較弱的劣勢(shì)。組合樁中鋼管段的長(zhǎng)度，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果適當(dāng)調(diào)整。關(guān)于鋼管混凝土構(gòu)件的抗彎承載力計(jì)算，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范[6]已有明確規(guī)定，本文不再贅述。

對(duì)組合樁基礎(chǔ)進(jìn)行有限元建模計(jì)算，結(jié)果表明：在極端工況條件下，基礎(chǔ)最大位移約為8 mm，基礎(chǔ)頂最大轉(zhuǎn)角約為1.1/1 000弧度，均滿足現(xiàn)行規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。有限元計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 樁身X向彎矩分布圖（單位：N/m）Fig.2 X-directionbending momentdistributionofpile(N/m)

從圖2中可以看出，樁身彎矩最大值都集中在樁頭3 m左右，隨著樁基入土深度的增加，樁身彎矩迅速衰減。另外，通過對(duì)不同地基條件下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受力計(jì)算，發(fā)現(xiàn)樁身彎矩衰減速率與土體m值有關(guān)，當(dāng)土體為軟弱土層時(shí)，m值較小，樁身受土體約束作用相對(duì)較弱，樁身彎矩衰減效應(yīng)變緩；當(dāng)土體物理力學(xué)指標(biāo)較好時(shí)，m值較大，樁身受土體約束作用明顯，樁身彎矩衰減效應(yīng)更明顯。所以，對(duì)于泥面以下軟弱土層很厚的工況，應(yīng)適當(dāng)增長(zhǎng)組合樁中鋼管段的長(zhǎng)度。

3 方案對(duì)比與結(jié)果分析

有限元計(jì)算結(jié)果表明：鋼管樁基礎(chǔ)、灌注樁基礎(chǔ)和鋼管混凝土組合樁基礎(chǔ)均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。由于本工程特殊的工程位置，鋼管樁打樁作業(yè)需要較高的工程措施費(fèi)用，導(dǎo)致鋼管樁方案工程造價(jià)較高。灌注樁基礎(chǔ)與鋼管混凝土樁基礎(chǔ)工程造價(jià)相當(dāng)，鋼管混凝土組合樁方案略低。從計(jì)算結(jié)果來看，鋼管混凝土組合樁樁徑小但剛度大，樁基受力分布更為均勻，單樁所受壓樁力和拉樁力都相對(duì)較小，在極限荷載的不利組合工況，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形小。此外，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的自振頻率可根據(jù)鋼管的壁厚和長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠更好地適應(yīng)風(fēng)機(jī)設(shè)備的循環(huán)疲勞荷載。所以，對(duì)于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)坐落于防波堤外側(cè)坡面處這種特殊工況，采用鋼管混凝土組合樁是一種較為合理可行的技術(shù)方案。

4 結(jié)語

本工程采用的鋼管混凝土組合樁，借鑒了鋼管混凝土構(gòu)件的受力特性和結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，將其拓展應(yīng)用于樁基結(jié)構(gòu)中，形成一種復(fù)合樁基結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土組合樁將鋼管結(jié)構(gòu)布設(shè)在樁身受彎截面處，充分發(fā)揮鋼管的抗彎性能。樁頂深入鋼筋混凝土承臺(tái)內(nèi)1倍樁徑，通過連接鋼板與承臺(tái)內(nèi)鋼筋焊接，形成固接，克服了以往鋼管混凝土構(gòu)件相接節(jié)點(diǎn)薄弱的弊端。鋼管混凝土組合樁揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性。

鑒于本工程中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)布置的特殊性，目前在國(guó)內(nèi)類似的工程案例相對(duì)較少，但隨著海上風(fēng)電行業(yè)的興起和海洋岸線資源的日益短缺，未來可能會(huì)有較多的類似工程項(xiàng)目，本工程的設(shè)計(jì)方案可為類似的灘涂區(qū)海上風(fēng)電項(xiàng)目提供參考。

[1]黃維平，劉建軍，趙戰(zhàn)華.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].海洋工程，2009（2）：130-134. HUANG Wei-ping,LIU Jian-jun,ZHAO Zhan-hua.The state of the art of study on offshore wind turbine structures and its development[J].The Ocean Engineering,2009(2)：130-134.

[2] 黃維平，李兵兵.海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜述[J].海洋工程，2012（2）：150-156. HUANG Wei-ping,LI Bing-bing.Reviews and comments on the design for offshore wind structures[J].The Ocean Engineering，2012 (2):150-156.

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[6]DL/T 5085—1999，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S]. DL/T 5085—1999,Code for design of steel-concrete composite structure[S].

Application of concrete-filled steel tube pile in offshore wind support structures

SUN Jian-jun,HAN Liang,LI Yun-long
（CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

The concrete-filled steel tube pile is widely applied to the wind support structures as a new composite pile foundation structure with excellent mechanical properties.The finite-element method calculation results show that the support structures with concrete-filled steel piles can distribute the force of piles shapely,with little strain of structure,and the natural frequency of structure can be adjusted easily.So it is an economy and feasible program for the circular loads of offshore wind generation.

offshore wind generation;support structure;concrete-filled steel tubes;structure analysis

U655.544

A

2095-7874（2016）12-0050-04

10.7640/zggwjs201612010

2016-07-15

2016-09-11

孫建軍（1985— ），男，山東平度人，碩士，工程師，港口海岸及近海工程專業(yè)，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：snjnjn@163.com