王 銜，陳 濤，元國(guó)凱，劉晉超

（1. 同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092；2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

隨著陸上風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，人們開始關(guān)注海上風(fēng)電的開發(fā)與利用。我國(guó)當(dāng)前正在建設(shè)的一批風(fēng)電機(jī)組項(xiàng)目主要采用的基礎(chǔ)形式是單樁結(jié)構(gòu)。

目前單樁結(jié)構(gòu)與上部風(fēng)電機(jī)之間主要采用灌漿連接方式，其技術(shù)原理是通過向內(nèi)外鋼管之間的環(huán)形間隙中填充高性能灌漿料來連接直徑不同的過渡段（Transition Piece，TP）和鋼管樁。這種節(jié)點(diǎn)可在海洋結(jié)構(gòu)中廣泛使用，具體細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[1]。該方式最早應(yīng)用于海上石油平臺(tái)導(dǎo)管架基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的連接，主要用來傳遞軸向荷載。但是，由于單樁結(jié)構(gòu)的細(xì)長(zhǎng)性，灌漿連接段主要用來承受反復(fù)彎矩。隨著風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量從1.5MW上升到6.5MW，單樁基礎(chǔ)的外直徑可達(dá)到7.5m。這種徑厚比很大的薄殼結(jié)構(gòu)已超出原先研究的范圍，同時(shí)由于風(fēng)浪荷載的隨機(jī)性，灌漿連接段在其20a的服役周期內(nèi)會(huì)承受109次循環(huán)荷載，疲勞問題突出。

疲勞試驗(yàn)是評(píng)價(jià)灌漿連接段疲勞性能的主要方法之一。有關(guān)灌漿連接段在彎矩作用下的疲勞性能試驗(yàn)研究較少，主要包括：丹麥的Horns Rev項(xiàng)目[2-3]，德國(guó)的“Grow”項(xiàng)目[4-6]及挪威的JIP項(xiàng)目[7-8]。由這些研究可知：

1) 尺寸較小的試件存在尺寸效應(yīng)，不足以反映真實(shí)單樁結(jié)構(gòu)的性能[3]。

2) 剪力鍵的使用可顯著改善灌漿連接段的受力性能，減小其在彎矩作用下的端部張開[6]，從而阻止灌漿材料開裂。同時(shí)，剪力鍵應(yīng)只布置在灌漿連接段的中間長(zhǎng)度內(nèi)[9]。

3) 當(dāng)在試驗(yàn)中采用螺栓法蘭連接時(shí)，需每隔50萬次更換一次[10]，以防止螺栓斷裂。由此，該試驗(yàn)避免采用螺栓法蘭連接。

4) 采用非圓鋼管的等效灌漿連接段試件的破壞模式與實(shí)際縮尺試件略有不同[8]，等效試件可能不足以反映灌漿連接段整體的破壞模式。

國(guó)外已有研究因涉及保密等因素，大部分無法參考。因此，為順應(yīng)我國(guó)大力發(fā)展海上風(fēng)電的要求，有必要進(jìn)行針對(duì)單樁基礎(chǔ)灌漿連接段彎曲疲勞性能的試驗(yàn)研究。

本文對(duì)5根帶剪力鍵的圓柱形灌漿連接段試件進(jìn)行等載幅度的彎曲疲勞試驗(yàn)。通過觀察試件在疲勞循環(huán)期間多次靜力加載中應(yīng)變及位移的變化規(guī)律，得出灌漿連接段局部及整體的疲勞性能。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)5根試件，共有3種灌漿段長(zhǎng)度，探究灌漿段長(zhǎng)度變化對(duì)疲勞性能的影響。試件尺寸及試驗(yàn)荷載幅見表1。試驗(yàn)中略去外梯、休息平臺(tái)和J型管等實(shí)際結(jié)構(gòu)中的附屬構(gòu)件，試件各部分定義見圖1。剪力鍵設(shè)置在灌漿段的中間1/2長(zhǎng)度內(nèi)，間距為170mm，采用焊接6mm光圓鋼筋工藝。同時(shí)，表1中有效剪力鍵對(duì)數(shù)表示的是樁管和過渡段上剪力鍵個(gè)數(shù)的較小值。

表1 試件尺寸及試驗(yàn)荷載幅

圖1 試件各部分定義及尺寸示意

1.2 試件材料

試件鋼管材料為船鋼NV-A36，其性能見表2。剪力鍵6mm光圓鋼筋采用HPB300等級(jí)。灌漿材料采用高性能水泥基類材料，一般具有超高強(qiáng)度、高模量、良好流動(dòng)性和快硬早強(qiáng)等特點(diǎn)。具體材料屬性見表2，其中fck和fcck的定義見DNV?GL風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[11]，測(cè)試方法由BS EN 13412規(guī)范[12]確定。

表2 試件材料參數(shù)

1.3 荷載幅和加載方式

疲勞加載采用四點(diǎn)彎曲方式（見圖3），保證所有試件的灌漿段處于純彎段，并距離兩側(cè)加載支座中心位置650mm。試件加載幅如表1所示，其中Mun（n=1，2，3）為相應(yīng)長(zhǎng)度的灌漿連接段試件的靜力極限彎矩承載力，可由DNV?GL風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[12]及文獻(xiàn)[13]中的式(1)給出。

式(1)中：p為灌漿連接段端部截面灌漿材料與鋼管之間的接觸壓力；Es為鋼材彈性模量；Lg為灌漿連接段有效長(zhǎng)度；R和t分別為鋼管的外半徑和厚度；下標(biāo)“TP”和“p”分別代表過渡段及樁管；μ為灌漿材料及鋼管間的摩擦系數(shù)；keff為剪力鍵的等效剛度。

對(duì)于該尺寸的試件，p為設(shè)計(jì)時(shí)的控制條件，規(guī)范規(guī)定上限為1.5MPa，由此可得到Mu1=318.5kN·m，Mu2=299.5kN·m，Mu3=356.8kN·m。此處荷載幅由靜力極限彎矩承載力確定，而不是取與原型結(jié)構(gòu)實(shí)際工況等效的疲勞荷載幅值，主要是考慮到德國(guó)學(xué)者[5]所做的疲勞試驗(yàn)進(jìn)行225萬次未發(fā)生明顯的灌漿連接段破壞現(xiàn)象，其荷載幅上限約為其試件靜力極限彎矩承載力的0.4倍，而該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其按實(shí)際工況等效的疲勞荷載幅值。

試驗(yàn)加載設(shè)備為AMSLER P960型脈沖疲勞試驗(yàn)機(jī)，單個(gè)加載頭最大加載能力為500kN，共可安裝2個(gè)加載頭。試驗(yàn)包含疲勞加載和靜力加載2部分，相互交替進(jìn)行。在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)之前，先進(jìn)行一次靜力加載卸載循環(huán)。荷載分級(jí)取疲勞荷載幅上限值的20%為一級(jí)，在80%與100%之間增加一級(jí)，故加載時(shí)分六級(jí)加載至 Mu，卸載時(shí)亦然。接著進(jìn)行疲勞加載，加載頻率為 4Hz。當(dāng)循環(huán)加載至 2萬次、5萬次、10萬次、15萬次、30萬次、50萬次、70萬次、100萬次、130萬次、165萬次和200萬次時(shí)停止疲勞加載，進(jìn)行一次靜力加卸載循環(huán)。由于疲勞試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，在試驗(yàn)中存在諸多不確定因素，故在停止疲勞加載，進(jìn)行靜力加載時(shí)的循環(huán)次數(shù)可能無法與試驗(yàn)方案嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

1.4 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)中采用在鋼管表面粘貼應(yīng)變片的方式記錄靜載過程及疲勞過程的鋼管應(yīng)變變化，其中，靜載過程為連續(xù)采集連續(xù)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，而疲勞過程采用連續(xù)采集間隔儲(chǔ)存的方式，儲(chǔ)存間隔為300s。在靜載過程和疲勞過程中，采集頻率都為200Hz。采用靜力位移計(jì)記錄靜載過程中的試件撓度，同時(shí)考慮到靜力位移計(jì)無法在疲勞過程中使用，增加激光位移計(jì)記錄疲勞加載過程中的試件跨中撓度及端部上下截面的相對(duì)橫向和豎向位移，激光位移計(jì)采樣頻率為1000Hz，同樣采用連續(xù)采集間隔儲(chǔ)存的方式，儲(chǔ)存間隔同為300s。以試件3為例，其過渡段上應(yīng)變片布置見圖2，應(yīng)變片分為環(huán)向和縱向2種布置方法，考慮到對(duì)稱性，只布置在試件圓周的半側(cè)。樁管由于需鉆入貼片，應(yīng)變片數(shù)量較少，只布置在2個(gè)端部及跨中位置。另外，圖2中截面0°為受彎時(shí)的受壓側(cè)，180°為受彎時(shí)的受拉側(cè)；而灌漿段位于圖2中的Z=0mm截面與Z=875mm截面之間。更多試驗(yàn)細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[14]。

圖2 試件3過渡段上應(yīng)變片分布示意

2 主要試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中1～4號(hào)灌漿連接段試件分別在各自疲勞彎矩荷載下循環(huán)200萬次，灌漿連接段整體仍不會(huì)出現(xiàn)明顯的抗彎性能退化，且灌漿連接段端部截面灌漿材料未出現(xiàn)明顯的裂紋和破碎。同時(shí)，在5號(hào)試件中由于試驗(yàn)荷載幅最大，試件焊接部件在經(jīng)歷約128萬次疲勞荷載之后出現(xiàn)開裂，導(dǎo)致試驗(yàn)停止，而灌漿連接段本身未出現(xiàn)任何破壞。下面分疲勞循環(huán)前靜力加載過程、疲勞循環(huán)期間多次靜力加載過程及疲勞全過程等3部分給出試驗(yàn)的主要結(jié)果。同時(shí)，給出試件5的破壞模式及關(guān)于灌漿段長(zhǎng)度的討論。

試驗(yàn)采用四點(diǎn)彎曲方式，雖然試件的長(zhǎng)度不同，但保證所有試件兩側(cè)彎剪段長(zhǎng)度為 1m，由此所有試件純彎段彎矩值在數(shù)值上為試驗(yàn)機(jī)荷載值的1/2，為敘述方便，在論述中直接使用試驗(yàn)機(jī)荷載值。

2.1 疲勞前靜力加載過程

在疲勞試驗(yàn)正式開始之前，對(duì)所有試件進(jìn)行一次分級(jí)靜力加載及卸載過程，荷載分級(jí)如“1.3”節(jié)所述。限于篇幅，以試件3作為典型，研究其截面應(yīng)變分布及應(yīng)變位移沿長(zhǎng)度的分布規(guī)律等。

圖3～圖5給出灌漿段過渡段鋼管的2個(gè)端部及跨中截面的縱向應(yīng)變隨荷載變化沿截面高度的分布。由圖3～圖5可知：在Z=10mm截面處完全符合平截面假定；在Z=437.5mm（跨中）截面處基本滿足平截面假定；而在Z=865mm截面處則完全不滿足平截面假定。原因可由圖6給出的過渡段鋼管受壓側(cè)沿試件長(zhǎng)度方向不同截面處的縱向應(yīng)變分布解釋。從圖6中可明顯看出彎矩沿灌漿連接段由過渡段通過灌漿材料傳給樁管的過程，即在灌漿連接段長(zhǎng)度上沿彎矩傳遞的方向，過渡段上應(yīng)力越來越小，同時(shí)樁管上的應(yīng)變逐漸增大。由此可知：Z=10mm截面樁管基本不受力，彎矩完全由過渡段承擔(dān)，該截面類似于純鋼管受彎截面，故完全符合平截面假定；跨中截面在灌漿材料的黏結(jié)作用下，過渡段和樁管共同受力，該組合截面也基本符合平截面假定；而Z=865mm截面過渡段已基本不受力，后面還可見其在疲勞循環(huán)中出現(xiàn)過渡段與灌漿材料的脫開現(xiàn)象，故該截面不再滿足平截面假定。值得注意的是，圖6中還給出了過渡段鋼管上剪力鍵的位置。由圖6可知，在經(jīng)過剪力鍵，尤其是第一個(gè)剪力鍵時(shí)，過渡段上應(yīng)變急劇下降，說明彎矩有一大部分傳遞給了樁管。由此可知剪力鍵在彎矩傳遞過程中的重要作用，這種作用在荷載較大時(shí)更為明顯。

圖3 過渡段Z=10mm截面縱向應(yīng)變分布

圖4 過渡段Z=437.5mm截面縱向應(yīng)變分布

圖5 過渡段Z=865mm截面縱向應(yīng)變分布

圖6 過渡段受壓側(cè)縱向應(yīng)變沿試件長(zhǎng)度方向分布

2.2 疲勞循環(huán)期間多次靜力加載過程的比較

圖7～圖9給出試件3的應(yīng)變，在多次靜力加載過程中出現(xiàn)退化的幾個(gè)典型截面及位置。從圖7～圖9中可看出整個(gè)加載過程仍處于彈性階段，在荷載完全卸除之后應(yīng)變基本恢復(fù)到零。但是，隨著疲勞加載的進(jìn)行，Z= 437.5mm（跨中）截面多處出現(xiàn)退化，但都在2萬次循環(huán)之后基本穩(wěn)定；過渡段鋼管180°方向應(yīng)變出現(xiàn)減小的現(xiàn)象（見圖7），而過渡段鋼管135°環(huán)向應(yīng)變出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象（見圖9）。與之不同的是，Z=740.5mm截面過渡段鋼管180°縱向應(yīng)變片在循環(huán)中多次出現(xiàn)減小的現(xiàn)象（見圖8）。對(duì)于過渡段縱向應(yīng)變的減小，可認(rèn)為是其與灌漿材料之間的黏結(jié)出現(xiàn)退化，從而失去共同受力的性能，彎矩荷載的傳遞能力下降；而環(huán)向應(yīng)變的增大則是在截面鋼管與灌漿材料黏結(jié)破壞之后失去協(xié)同工作能力，從而在彎矩作用下出現(xiàn)的橢圓化現(xiàn)象。

圖10給出試件跨中截面的位移隨多次靜力過程的變化。由圖10可知，200萬次彎曲循環(huán)過程之后的殘余變形幾乎可忽略，且試件灌漿連接段內(nèi)部雖多處出現(xiàn)局部退化，但整體剛度仍未出現(xiàn)明顯退化。

圖7 過渡段437.5mm截面180°縱向應(yīng)變

圖8 過渡段740.5mm截面180°縱向應(yīng)變

圖9 過渡段437.5mm截面135°環(huán)向應(yīng)變

圖10 試件437.5mm（跨中）截面位移

2.3 疲勞循環(huán)過程中的變化

圖11給出試件3的過渡段鋼管Z=865mm截面環(huán)向應(yīng)變幅隨荷載次數(shù)的變化。由圖11可知，180°（受拉側(cè)）處應(yīng)變幅在荷載循環(huán)開始之后不斷降低，至 10萬次左右時(shí)出現(xiàn)突降，隨后保持在較小的值，說明此處過渡段與灌漿材料逐漸脫離，截面承受彎逐漸減小，且在10萬次左右時(shí)就完成退化，之后保持穩(wěn)定。

圖12給出Z=875mm截面兩鋼管豎向相對(duì)位移幅隨荷載次數(shù)的變化。由圖12可知，受拉側(cè)兩鋼管相對(duì)豎向位移幅不斷增大，在10萬次左右時(shí)出現(xiàn)突增，而該截面受壓側(cè)在整個(gè)疲勞循環(huán)中基本不會(huì)退化。

圖11 過渡段Z=865mm截面環(huán)向應(yīng)變幅隨荷載次數(shù)的變化

圖12 Z=875mm截面豎向相對(duì)位移幅隨荷載次數(shù)的變化

2.4 試件5的破壞模式

由于試件5最長(zhǎng)且試驗(yàn)荷載幅最大，試件焊接部件在經(jīng)歷約128萬次疲勞荷載之后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，試驗(yàn)停止，但灌漿連接段本身未出現(xiàn)任何破壞。圖13給出試件5的破壞情況。由圖13可知，裂紋發(fā)生在加載支座下部，而灌漿段本身未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。仔細(xì)觀察試件內(nèi)部可發(fā)現(xiàn)，裂紋起始于加載支座下過渡段內(nèi)部的圓形加勁板焊縫端部，由此強(qiáng)調(diào)焊接細(xì)節(jié)對(duì)承受疲勞荷載的鋼構(gòu)件的重要性。

2.5 不同長(zhǎng)度灌漿連接段的比較

給出不同長(zhǎng)度灌漿連接段試件疲勞加載前靜力循環(huán)中相似荷載下相似截面的應(yīng)變分布及整個(gè)疲勞過程中相似位置應(yīng)變和位移隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化。

圖13 試件5破壞情況

定義圖2中試件3的Z=875mm截面為試件外端面，Z=0mm截面為試件內(nèi)端面，試件4和試件5的定義類似，由此可給出疲勞前靜力循環(huán)中相似荷載下不同試件相似截面的應(yīng)變分布（見圖14～圖16）。由圖14～圖16可知，不同試件跨中截面在相似荷載下應(yīng)變基本相同，說明該截面過渡段、灌漿材料和樁管三者處于共同工作狀態(tài)，在截面參數(shù)完全相同的情況下，應(yīng)變基本相同。2個(gè)端部截面環(huán)向應(yīng)變并未出現(xiàn)灌漿連接段長(zhǎng)度越短而應(yīng)變?cè)酱蟮那闆r，反而長(zhǎng)度越長(zhǎng)環(huán)向應(yīng)變?cè)酱?。這與SCHAUMANN等[5]描述的灌漿段越短則端部鋼管橢圓化變形越大的現(xiàn)象不符。

圖14 過渡段外端部截面環(huán)向應(yīng)變分布

圖15 過渡段跨中截面縱向應(yīng)變分布

圖16 過渡段內(nèi)端部截面環(huán)向應(yīng)變分布

此外，從圖17給出的外端部截面180°兩鋼管豎向相對(duì)位移幅隨荷載次數(shù)的變化中也可看出灌漿段長(zhǎng)度越短而退化更快的趨勢(shì)，試件長(zhǎng)度越長(zhǎng)荷載幅絕對(duì)值越大，退化出現(xiàn)得越快，且相對(duì)位移值越大。這也與SCHAUMANN等[5]描述的灌漿段越短則端部鋼管張開距離越大的現(xiàn)象不符。原因可能是SCHAUMANN等[6]采用的試件的灌漿段最大長(zhǎng)度相當(dāng)于試件4的長(zhǎng)度，其余試件更短，使得端部橢圓化現(xiàn)象更明顯。而本文在設(shè)計(jì)試件時(shí)采用DNV?GL風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[11]推薦的最小值作為試件1～試件3的灌漿段長(zhǎng)度，試件5則更長(zhǎng)，故而端部橢圓化現(xiàn)象不明顯，無法體現(xiàn)灌漿連接段長(zhǎng)度過短帶來的影響。由此可看出，在考慮疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，常用設(shè)計(jì)規(guī)范[11]對(duì)帶有剪力鍵的灌漿連接段長(zhǎng)度的規(guī)定相對(duì)保守，其長(zhǎng)度可進(jìn)一步縮短，這與SCHAUMANN等[6]的觀點(diǎn)一致。

圖17 外端部截面受拉側(cè)豎向相對(duì)位移幅隨荷載次數(shù)的變化

3 結(jié) 語

本文對(duì)5根帶剪力鍵的圓柱形單樁基礎(chǔ)灌漿連接段試件進(jìn)行等荷幅四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論：

1) 靜力加載的結(jié)果表明，彎矩荷載在試件中由過渡段逐漸傳遞給樁管，試件灌漿段外端部過渡段受力很小，而內(nèi)端部樁管受力較小；跨中截面為過渡段、灌漿材料和樁管三者協(xié)同受力，該組合截面基本符合平截面假定；同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了剪力鍵在彎矩傳遞中的重要作用。

2) 由疲勞循環(huán)期間多次靜力加載過程之間的比較可知，盡管灌漿連接段局部可能出現(xiàn)性能退化，其整體仍可承受200萬次疲勞荷載，不出現(xiàn)明顯的抗彎性能退化，且灌漿連接段端部未出現(xiàn)明顯的裂紋；同時(shí)，試件在200萬次疲勞循環(huán)之后產(chǎn)生的殘余變形基本可忽略不計(jì)。

3) 由疲勞循環(huán)過程中的比較可知，試件3外端部截面受拉側(cè)在循環(huán)至10萬次（對(duì)于試件5可能更短）之后出現(xiàn)灌漿材料與鋼管脫開的現(xiàn)象，應(yīng)變明顯減小，兩鋼管間的豎向位移明顯增大，但試件整體剛度認(rèn)為可保持基本不變。

4) 對(duì)于試件5，由于試驗(yàn)荷載幅最大，試件焊接部件在經(jīng)歷約128萬次疲勞荷載之后出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而灌漿連接段本身未出現(xiàn)任何破壞，由此強(qiáng)調(diào)焊接細(xì)節(jié)對(duì)承受疲勞荷載鋼構(gòu)件的重要性。

5) 比較不同長(zhǎng)度的試件可發(fā)現(xiàn)，在相近荷載下，不同試件端部環(huán)向應(yīng)變并未出現(xiàn)試件灌漿段長(zhǎng)度越短而越大的情況，但灌漿段長(zhǎng)度越短兩鋼管間的相對(duì)豎向位移越大。在比較SCHAUMANN等[5]的結(jié)論之后可認(rèn)為，帶剪力鍵的灌漿連接段常用設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的長(zhǎng)度下限值可進(jìn)一步縮短。