海上风力发电机塔架与基础的连接.doc

海上风力发电机塔架与基础的连接
宋础
（上海勘测设计研究院 上海 200434）
[摘要]：本文阐述了主要应用于国外海上风机塔架与基础连接的两种型式，详细介绍了规范推荐做法即灌浆连接的设计计算、施工方法及监测手段，简要介绍了滑入式连接的设计计算及施工，并给出了本文推荐采用的连接型式的建议。可供从事海上风电场的设计及施工人员参考。
关键词：海上风机 连接件 设计 施工
Connection of offshore wind turbine
Song Chu
(Shanghai Investigation, Design and Research Institute Shanghai 200434 China)
Abstract: Illuminated two connection types of offshore wind turbine abroad. Introduced the calculation and construction of grouted connection and split-joint connection. It can be useful to the designer and builder of offshore wind farm.
Key words: offshore wind turbine. connection. design. construction
1 前言
国内第一座大型海上风电场——东海大桥海上风电场的3台样机已经成功并网发电，其余31台的风机吊装工作均已完成，截止目前已经进入最后两条海缆的敷设工作。东海大桥海上风电场的成功运行标志着我国正式将风电领域扩张到海上。
众所周知，国外的海上风电场工程采用单桩基础的占80%以上，而东海大桥海上风电场采用的是高桩承台基础，该基础优点是整体性能较好、对地质条件要求不高、施工经验比较丰富。但其成本较高、施工周期较长的，因此，目前风电工作者正着手研究适于建造在国内的施工周期短、成本较低的单桩基础、导管架基础。与高桩承台基础不同，高桩承台基础与风机塔架的连接采用的是常规的法兰连接，并将过渡段连接件埋入混凝土中，而单桩及导管架基础与风机塔架的连接采用法兰连接，过渡段连接件采用的是灌浆连接或滑入式连接。连接件的有效工作是确保海上风机正常运行的必要条件。因此，本文详细介绍了规范推荐作法即灌浆连接的设计计算、施工方法及监测手段。由于相对于灌浆连接的广泛应用，滑入式连接应用范围较少，本文仅作简要介绍。
2 灌浆连接
石油或天然气工业的海上平台基础通过灌浆的方式解决连接问题已经数十载，灌浆连接作为海上风机单桩、导管架基础与风机塔架的连接件也已成功应用于很多国外的海上风电场。
灌浆连接件是由两个同心圆管构成，内外管面之间填充砂浆。典型灌浆连接件由灌浆连接构件、单或双面管状砂浆及填充砂浆管组成。图1为Scroby Sand风电场的连接件。

图1 连接件安装及施工
灌浆连接具有以下优点：1）容易控制风机的安装误差；2）最大程度上降低灌浆、桩及套筒/连接件的疲劳损失；3）最大程度上降低或消除由安装导致的主要构件（如法兰）的疲劳破坏。以下是挪威船级社的规范DNV-OS-J101[1]（以下简称DNV规范）规定的灌浆连接件的设计计算公式。
2.1 灌浆连接件的设计计算
DNV规范规定，灌浆连接必须按承载能力极限状态（ULS）和疲劳极限状态（FLS）荷载以及荷载组合进行设计。
DNV规范给出了两种受力模式下连接件的设计规定，即承受扭矩及轴力的受力模式及承受剪力及弯矩的受力模式。为了设计这类受力模式的连接件，DNV累积了扭矩及轴力作用的经验，并建立了一些参数公式。但对剪力及弯矩作用，尚未建立参数公式。因此必须对这样的连接进行详细的调查。
在连接件中设置剪力栓可以降低筒体构件和灌浆的疲劳强度。如果剪力栓用于承受弯曲作用，为了降低对疲劳损伤的影响，应将其置于连接的中部。此外，尚应考虑平均海平面（MSL）和连接件之间的距离影响。与MSL相关的连接位置会影响灌浆的收缩、连接件尺寸及疲劳情况和灌浆操作方法等。
2.2 承载能力极限状态（ULS）
2.2.1 承受轴力与扭矩的连接
（1）应力计算公式
轴力作用的灌浆连接的极限承载力可以根据DNV规范所介绍的方法进行计算。轴力作用下连接件的剪切应力是：
（2.2.1-1）
式中： τsa——轴向加载连接件的剪切应力；
P—— 计算荷载作用引起的轴向力；
RP——桩的外半径（见图2）；
L——有效的灌浆结合长度。
承受扭矩的连接件的剪切应力：
（2.2.1-2）
式中：τst——扭矩加载连接件的剪切应力；
MT——计算荷载作用引起的扭矩。
（2）强度计算公式
若灌浆表面用磨具碾磨，且碾磨痕迹被锈蚀或被机械手段完全清除，就可以采用下列简化的设计公式。最终强度为接口剪切强度和灌浆强度两者中的较小值。
摩擦力造成的接口剪切强度：
（2.2.1-3）
剪力栓造成的接口剪切强度：
（2.2.1-4）

式中：τkf—— 摩擦力所造成的特性接口剪切强度；
τks——剪力栓造成的特性接口剪切强度；
μ——对锈蚀的或喷砂碾磨的钢材表面，已无碾磨痕迹留存情况，灌浆与钢接口的摩擦系数取值为0.4 ~ 0.6；
δ——对于起伏的钢材表面的误差高度取值为0.00037RP；
RS——套管外半径；
ts——套管壁的厚度；
tp——桩壁厚度
tg——灌浆的厚度；
h——剪力栓突出；
s——剪力栓间距；
E——钢材弹性模量；
Eg——灌浆的弹性模量；可以取值为150fckMPa。
fck——灌浆受压立方体特性强度。
（2.2.1-5）
上式需满足下列条件：
； ；；；
当灌浆连接件的轴向承载力使用较少时，RP/tP的上限可以超出。此时，RP/tP允许的上限必须加以评价。
值得一提的是：当剪力栓间距s接近 时，强度不会因为减小剪力栓间距而增加。灌浆承载力为：
（2.2.1-6）
式中：τkg——扭灌浆的特性剪切强度

κ——早期循环的转换系数
当，取κ=1；当，Δ=早期循环的位移。

（3）验算准则
无剪力栓时，轴力和扭矩加载连接件的剪切应力应当满足：
（2.2.1-7）
式中：τk——连接件的特性剪切强度，min（τkf，τkg）
γm——材料系数，取3.0。
有剪力栓时，应当满足下列三个要求：
；； （2.2.1-8）
如果考虑扭矩是可忽略的 (τst≈0)，那么轴向荷载带来的剪切应力应当满足下列要求：
（2.2.1-9）

图2 桩与套管的灌浆结合
2.2.2 承受弯矩和剪力的连接件
对承受弯矩和剪力的连接件而言，灌浆主要是受径向应力作用，要求连接件的长度与桩直径之比L/D≈1.5，以确保弯矩通过灌浆里的径向应力而安全传递弯矩。
由于有径向应力使荷载得以传递，就不必设剪力栓。对灌浆连接，例如单桩结构物，灌浆连接件必须传递较高的荷载。因此这样的连接要求灌浆具有更高强度（即压应力强度超过65MPa）。
灌浆连接件的极限承载力应当复核，包含挠度复核。可以采用非线性有限元分析（FE）来复核极限承载能力。然而，对没有以往资料或试验数据的情况，无论是连接模型还是解决方法均应以试验数据为准。
在承载能力极限状态下，灌浆里的应力表达成Tresca应力，应当满足下列要求：
（2.2.2-1）
式中：fs——灌浆内的Tresca应力，fs=σ1-σ3；
σ1—— 灌浆内所涉点的最大主应力；
σ3——灌浆内所涉点的最小主应力；
fcck——灌浆的特性柱状压应力强度；
γm——材料系数；
总体上说，这个方法是保守的。
2.3 疲劳极限状态（FLS）
2.3.1 承受轴力与扭矩的连接件
轴力作用下灌浆连接件的疲劳强度应基于相关的试验数据或有关连接实际特点的经验。对灌浆连接来说，所处的只是动态加载的环境状态，其设计要满足承载能力极限强度要求。对仅承受轴力和扭矩的灌浆连接而言，无需验证疲劳强度。
2.3.2 承受弯矩和剪切加载的连接件
用Palmgren-Miner计算长期应力历史的累积损伤D，要求不大于1.0：

式中：ni——应力组i的应力循环次数；
Ni——允许循环次数；
j——应力组块数量；
为了求失效循环次数，首先计算中间值NI

然后，按下列S-N曲线计算失效循环次数N

规定了应力幅的限值ΔS<0.30-0.375Smin。
式中，fcck,f——设计疲劳强度，fcck,f /γm；
smax,f——周期的最大压应力；
smin,f—— 周期的最小压应力；
Smax——最大相对应力，即smax,f / fcck,f；
Smin——最小相对应力，即smin,f / fcck,f。
ΔS——应力范围，Smax-Smin；
γm——FLS所取的材料系数，取2.6。

图3 高强度灌浆疲劳的S-N曲线
2.4 灌浆施工
要求灌浆量超出的实际需求量，以确保灌浆能将气体、水和多余的浆液排出。
灌浆的位置应在环面的底部。通过灌浆连接位置的顶部或出口顶部来确认环面的填充是否完成。模板或类似膨胀的橡胶止水的结构物必须保证具有足够强度。
为避免灌浆接缝，灌浆应当一次完成。
灌浆施工期间的环境温度（空气，水，钢结构等）必须控制在5℃到35℃之间。
一般情况下，灌浆施工开始后，打桩便不再进行。
2.4.1 灌浆准备
在灌浆施工之前，通过试验确定灌浆的配合比。清洁所有钢制表面。在灌浆管定位之前，表面应当检查是否有油脂，油，油漆，海生物等。
2.4.2 监测
灌浆施工之前以及期间用于控制施工的重要参数要进行监测。监测的所有参数要有记录。
正常情况下是下列参数：灌浆配合比试验结果；施工期间灌浆试验结果；在拌合设备内的灌浆料的密度和每个灌浆部位或环面灌浆总量的记录；如果可行，压差测量值的记录；排空点位置的观察记录；排空点位置的灌浆料的密度或恢复灌浆的密度记录；压应力强度测试结果；观察灌浆部位或环面排空点出现的灌浆紧急事故的手段。
灌浆期间，应当进行定期的试验以确认下列特性：密度；空气含量；黏度；可使用性；渗析；灌浆的温度；压应力强度。
一般是每半个小时要人工测密度和空气含量。每隔2小时测一次黏度，可使用性，渗析和温度，如果灌浆部位所需时间不足2小时，可按每个灌浆部位和环面测一次。
3 滑入式连接
滑入节点连接已广泛应用于陆上结构（图4），其可靠性不是问题[3]。与标准法兰连接相比这种方式能缩短安装时间。滑入节点连接就是两种塑性杯状物的连接简图见图5。
在滑入节点连接中塔架的拉、压力通过摩擦力或一小部分接触力传递。该摩擦力由结构重量及锥形连接引起。

滑入式连接

图4 滑入式连接

图5 滑入式连接简图

3.1 滑入式连接的计算
滑入式连接连接件的受力简图见下图6。连接件的应力计算式如下：

（a）
（b）

（c）
（d）
图6 滑入式连接受力简图
（1）由重力引起的连接件应力计算式：

（2）由倾覆力矩引起的连接件应力计算式：

（3）连接件总应力计算式
（4）验算准则

式中，Mb——倾覆力矩，kN·m；
Fg——重力，kN；
α——锥角，°；
d——滑入式连接的平均直径，m；
h——滑入式连接的高度，m；
Fr——水平分力，kN；
P——径向应力；
σtF——重力引起的连接件应力；
σtM——弯矩引起的连接件应力；
σt——连接件总应力；
[σ]——连接件的允许应力。
4 结语
通过上述两种海上风机连接件形式优缺点及计算方法的阐述，可知灌浆连接件是规范推荐做法，计算原理及计算公式比较成熟适于普及推广，应用较多。滑入式连接也用于具体工程，但不属于规范推荐的连接形式，虽然有自身的优点，单是我国海上风电场设计工作处于刚起步阶段，许多技术都在探索、试验阶段，本文推荐采用灌浆连接件作为海上风机塔架与基础的连接件。
参考文献：
[1]Scroby sands wind farm，offshore foundation series 0020，Nov 2004.
[2]DNV-OS-J101，DNV offshore standard：Design of offshore wind turbine structures，Jun 2004.
[3]J.Van der Tempel TUD, The slip-joint connection-Alternative connection between pile and tower, Dutch offshore wind enery convert project. DOWEC, Oct 2003.
作者简介：宋础(1981.1－)，女，工学硕士，主要从事海上风力发电技术研究。
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