1、2023年第1期薛永宏，郭飞，秦晓川，等：深水风机基础灌浆连接结构承载性能研究深水风机基础灌浆连接结构承载性能研究薛永宏1，2，郭飞1，2，秦晓川1，2，沙建芳1，2，夏中升1，2（1.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京210008；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京211100）摘要：导管架作为海上风电深水区常用的基础结构形式，通过在内外钢管间的环形间隙填充高性能灌浆料，使上部导管架钢筒与下部桩基形成受力整体，从而保障风机能在大自重、高风速、强冲刷等严酷环境下2030 y的安全使用。现有的设计及研究均按内外钢管同心考虑，但海上严苛的施工条件使得灌浆过渡段钢筒极易出现偏置。
2、基于此，采用全尺寸原型试验考察了偏置情况下风机基础灌浆连接结构的承载性能。研究结果表明，采用JGM-SP201型风机基础灌浆料灌注的灌浆连接结构极限抗拔承载能力不小于20 000 kN，灌浆料与外钢筒之间未发生任何滑移。关键词：海上风电；灌浆连接；偏置Abstract:Jacket foundation is commonly used in deep sea wind turbines，tubular hollow steel piles are in-situattached with a high-strength grout to ensure the safety of wind t
3、urbines for 2030 years in harsh environments,such as heavy dead weight,high wind speed,strong scour,etc.The adverse construction conditions of deep-seawind turbines make the grouted connection susceptible to installation errors which were not fully considered incurrent design and research.A full-sca
4、le experiment was conducted to investigate the influence of eccentricerror.It was shown that the extract bearing force of grouted connection used with JGM-SP201 isabove20000kN,and no slippage occurred between the grout and the outer cylinder.Key words:deep sea wind turbines；grouted connections；eccen
5、tric placed中图分类号 TU526文献标识码 A 文章编号1004-5538（2023）01-0026-030引言海上风电场建设中水文、气候、地质等条件非常复杂，给风电机组地基基础设计和建设带来诸多技术困难。风机基础是海上风电场建设的重点之一，在海上风电的成本构成中仅次于风机机组，约占总投资的35%1。随着风机场地的选址由浅海延伸至深海，风机的单机容量从1.5 MW上升到6 MW甚至更高，风机基础的形式从单桩发展为导管架等更复杂的结构形式。目前，导管架基础主要采用灌浆连接，通过在内外钢管间的环形间隙填充高性能灌浆料，使上部导管架钢筒与下部桩基形成受力整体。该工艺最早用于海上石油平台基
6、础，已有超过40 y的使用历史2，具有施工精度要求低、疲劳性能好、避免水下焊接等优势。灌浆连接段结构的承载性能是保障风机正常工作的关键，基于海上风机基础的受力特性，国内外相关学者对风机基础灌浆段结构的静力性能开展了大量研究。但研究多是采用缩尺试件或借助有限元模拟开展，不能真实反映实体结构的承载性能，开展足尺试验的报道较少3-4。海上风电灌浆属于隐蔽工程，灌浆施工具有不可逆性，有必要进行11原型试验，模拟实际灌浆空间的灌浆施工，确定灌浆料在实际施工过程中的可灌性、灌浆后的结构承载能力等性能。1试验方法原型试验模型如图1所示，内筒外径1.9 m，外筒内径2.28 m，灌浆段高度2.5 m；内外筒偏
7、心放置，一基金项目：国家自然科学基金（52130806）。R试验研究R26-2023年第1期R端灌浆层厚度80 mm，另一端灌浆层厚度300 mm。将制作好的试验模型放入加工好的水箱中，确保垂直放置，然后向水箱中注水，直至将出浆口淹没。灌浆料采用的是江苏苏博特新材料股份有限公司生产的JGM-SP201型风机基础灌浆料，主要性能指标见表1。2试验结果与讨论2.1灌浆料性能测试灌浆过程中抽取四机灌浆料测试出机温度、流动度、密度和含气量。测试结果见表2。考察了灌浆料养护不同龄期的抗压强度及抗折强度，试验结果见图2和3。由图2、3可知，灌浆料1 d抗压强度达80.4 MPa，抗折强度达13.6 MPa
8、，强度随龄期增长稳步发展，28 d时抗压强度达147.2 MPa，抗折强度达22.1 MPa，与实验室搅拌和养护条件下的数值相同。2.2抗拔承载力试验试验中沿内筒等圆心角布置8个千斤顶，并通过中继器连接1台加载油泵与集成控制器，加载过程由集成控制器自动控制。出于保护千斤顶的目的，在每个千斤顶顶部都设置了钢垫块。内外筒相对位移测试共布置3个测点，在避让千斤顶的前提下，测量灌浆层由薄到厚内外筒的相对位移。第一级加载3 400 kN，消除千斤顶与内外筒之间的间隙；此后每级增加1 700 kN，直至第六级11 900 kN；第七级增加1 729 kN，加载至结构设计荷载13 629 kN；第八级增加2
9、 371 kN，超压至16 000 kN；此后每级增加2 000 kN，最终加载至20 000 kN。加载过程采用位移控制，当加载达到预设值后，千斤顶自动进入持荷状态，集成控制器每5 min采集一次位移，当3个测点连续四次漂移均小于0.01 mm时，认为本级荷载稳定，进行读数后，施加下一级荷载。当出现下列情况之一时，即可终止试验：测读的位移值持续增长，且在1 h内未出现稳定的迹象。新增加的荷载无法施加，或者施加后无法保持荷载的稳定。内、外壁已出现明显位移，结构变形急剧发展。符合上述终止条件的前一级荷载，即为结构的极限荷载。试验结果表明，加载至第7级（即13 629 kN）时，灌浆结构未发生破坏
10、，且内、外壁相对位移增量无明显突变，第7级荷载持荷时间内钢管内、外壁之间相对位移稳定。在加载至20 000 kN时，考虑图1试验模型表1JGM-SP201性能指标流动度/mm28 d抗压强度/MPa28 d劈拉强度/MPa28d静弹性模量/MPa28 d氯离子扩散系数/（m2/s）3051408500.510-12表2灌浆料性能测试结果序号出机温度/流动度/mm密度/（kg/m3）含气量/%123424.524.225.226.33053053003052 4202 4202 4222 4250.81.01.11.0薛永宏，郭飞，秦晓川，等：深水风机基础灌浆连接结构承载性能研究试验研究R图2抗
11、压强度图3抗折强度龄期/d抗压强度/MPa龄期/d抗压强度/MPa27-2023年第1期到结构的整体安全停止继续加载，在持荷时间内结构未发生破坏且内、外壁相对位移增量无明显突变。卸载后灌浆材料表面未发现裂缝，且与钢管无脱开迹象。试验过程中荷载-相对位移曲线见图4，初始阶段相对位移负向增大为钢结构反力架调整变形产生的。根据加载情况及内、外钢管之间相对位移的测试结果，综合判定该灌浆结构极限抗拔承载力不小于20 000 kN。2.3应变监测图5和6为测得的钢外筒应变场。从图5、6可以看出，除了有局部区域发生应力集中外，钢外筒环向实测应变较小，整个加载过程中基本稳定在50200，说明灌浆料与钢筒之间没
12、有发生滑移；钢外筒中下部实测轴向应变基本不超过200，较大的应变主要集中在其上部（无灌浆段的部分），其中90 与135 实测拉应变略大，说明此处相对位移略大。由于钢筒顶部反力架采取了加劲板等加强措施，故可近似认为顶部为一“刚体”，结合90 与135 处内外筒位移略大这一现象，可以判断顶部加强部分可能发生了微小的刚体转动，外筒顶部的微小转动导致实际试验中内外筒相对位移更加不均匀，较试验方案设计时的受力状态更为不利，但实测结构依然处于弹性状态，说明灌浆连接段的抗拔承载力不小于20 000 kN，其结构受力性能超过设计要求。3结论（1）通过原型试验验证了JGM-SP201型风机基础灌浆料的施工性能、
13、力学性能及灌浆工艺可操作性，灌浆料性能及灌浆工艺可满足海上风电水下灌浆的使用要求。（2）在内外钢筒偏心放置情况下，采用JGM-SP201型风机基础灌浆料灌注的灌浆连接结构极限抗拔承载能力不小于20 000 kN。（3）加载过程中外钢筒的应变监测结果表明，灌浆料与钢筒之间没有发生任何滑移。参考文献1 Seidel M.Jacket substructures for the REpower5M wind turbineC.Conference Proceedings Euro-pean Offshore Wind,2007.2 Billington Colin J,Lewis Gael HG.T
14、he strengthof large diameter grouted connections C.OffshoreTechnology Conference,1978.3汪冬冬,陈克伟,王成启,等.海上风电导管架灌浆原型试验研究J.海洋开发与管理,2018(S1):140-145.4孙洋波,陈大明.导管架基础灌浆粘结力试验研究J.中国港湾建设,2016,36(11):42-45.第一作者：薛永宏（1980-），男，本科，高级工程师，主要从事混凝土外加剂与功能性水泥基材料研究工作。（编辑：徐萍）（收稿日期：2023-1-29）图4荷载-相对位移曲线图5钢外筒实测应变场（F=13 629 kN）图6钢外筒实测应变场（F=20 000 kN）薛永宏，郭飞，秦晓川，等：深水风机基础灌浆连接结构承载性能研究相对位移/mmRR试验研究28-
