灌漿套筒連接技術(shù)在近海風(fēng)力發(fā)電工程中的試驗(yàn)研究

1灌漿套管連接技術(shù)由于技術(shù)的需要和技術(shù)的發(fā)展，第一種接頭連接法是一種新的鋼結(jié)構(gòu)連接方法。這種連接方法的出現(xiàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)連接方法（主要包括焊接和螺釘連接）的不足，并得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。由于近幾十年來(lái)能源的需求量大幅增長(zhǎng),人們不得不把獲取資源的目光轉(zhuǎn)向海洋,越來(lái)越多的海上構(gòu)筑物和建筑物如海上石油開(kāi)采平臺(tái)、近海風(fēng)力發(fā)電塔等投入使用。海洋環(huán)境的特殊性如濕度大、海水腐蝕性強(qiáng)、海浪沖擊的疲勞荷載等都使得傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)連接形式不再適用,在這樣的背景下,灌漿套筒連接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。灌漿套筒連接技術(shù)的原理是通過(guò)在內(nèi)外套筒間的環(huán)形間隙中填充水泥漿等灌漿料的方式來(lái)連接內(nèi)外兩根直徑不同的鋼管(圖1),并通過(guò)凝固之后的內(nèi)外套筒間的灌漿料的剪切強(qiáng)度來(lái)傳遞軸向力。灌漿套筒連接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)和施工兩個(gè)方面。結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)主要包括:(1)內(nèi)外套筒的重疊區(qū)域提供了附加剛度,套筒間的灌漿料增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)吸收能量的能力,這樣就改善了結(jié)構(gòu)抵抗水流及船舶沖擊的能力;(2)節(jié)點(diǎn)區(qū)相對(duì)較大,有效減小了應(yīng)力集中;(3)重疊的內(nèi)外套筒和之間的灌漿料增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的承載力以及抗疲勞性能。施工方面的優(yōu)勢(shì)主要有:(1)施工精度要求低,對(duì)施工人員素質(zhì)以及施工環(huán)境要求不高;(2)由于灌漿料多為水硬性材料,所以水下施工方便,無(wú)需施焊或者大量的潛水作業(yè);(3)工廠化程度高,現(xiàn)場(chǎng)裝配簡(jiǎn)單快捷。目前,該技術(shù)在海上構(gòu)、建筑物的基礎(chǔ)與上部的連接中迅速普及。隨著該技術(shù)的日臻完善,灌漿套筒技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了鋼管結(jié)構(gòu)與管線結(jié)構(gòu)的修繕與加固改造中(圖2)。2灌溉連接技術(shù)的發(fā)展和分類2.1灌漿套管節(jié)點(diǎn)技術(shù)最初的灌漿套筒連接中,荷載的傳遞僅僅依靠灌漿料與內(nèi)外鋼套筒之間的黏結(jié)。因此灌漿料與鋼套筒之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及套筒重疊區(qū)的長(zhǎng)度是決定節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度的主要因素。但是單純的光圓套筒和普通的灌漿料組成的灌漿套筒連接的剪力傳遞效率低下,需要較大的相對(duì)位移,因此隨后出現(xiàn)了兩大類改進(jìn)的連接:一類是非預(yù)應(yīng)力的灌漿套筒連接,通過(guò)在套筒內(nèi)壁加設(shè)抗剪鍵、噴射環(huán)氧樹(shù)脂-骨料等方式來(lái)增強(qiáng)套筒內(nèi)壁與灌漿料之間的摩擦力,以此提高灌漿料的傳力效率,提高節(jié)點(diǎn)承載力;另一類則是預(yù)應(yīng)力的灌漿套筒連接,通過(guò)使用壓力泵灌漿或使用自膨脹的灌漿料來(lái)使灌漿料和內(nèi)外筒壁之間產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的擠壓作用,來(lái)增大灌漿料與套筒之間的摩擦力,從而提高灌漿料的傳力效率和節(jié)點(diǎn)的承載力。英國(guó)對(duì)于灌漿套筒連接技術(shù)進(jìn)行了最早的系統(tǒng)研究。英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院在20世紀(jì)80年代到90年代對(duì)于預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接的性能進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬,研究包括機(jī)械預(yù)應(yīng)力以及化學(xué)預(yù)應(yīng)力兩種形式。日本川崎鋼鐵公司的山崎等人在同一時(shí)期對(duì)于化學(xué)預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接也進(jìn)行了動(dòng)力和靜力作用下的性能研究。澳大利亞在20世紀(jì)90年代之后對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。莫納什大學(xué)的FooJ等在20世紀(jì)90年代初通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)填充膨脹水泥漿的化學(xué)預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接進(jìn)行了靜力荷載和疲勞荷載作用下的性能研究。近年來(lái),莫納什大學(xué)的趙曉林等對(duì)于該種連接在大振幅動(dòng)力荷載作用下、高溫作用下以及極端室外氣候條件下等一系列情況下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析,取得了大量的研究成果。我國(guó)對(duì)于灌漿套筒連接的研究相對(duì)較為落后,同濟(jì)大學(xué)的蔣首超等對(duì)于灌漿套筒節(jié)點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行過(guò)簡(jiǎn)要研究,浙江大學(xué)的龔順風(fēng)等對(duì)海洋平臺(tái)的灌漿卡箍技術(shù)進(jìn)行過(guò)研究。隨著工程的需要,近年來(lái)越來(lái)越多的設(shè)計(jì)單位開(kāi)始對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究,但相比而言,國(guó)內(nèi)的研究還缺乏系統(tǒng)性和深入性。2.2非預(yù)應(yīng)力灌漿套管連接按照灌漿料在凝固之后是否存在預(yù)應(yīng)力,可以將灌漿套筒連接分為非預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接以及預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接。相比而言,非預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接技術(shù)較為簡(jiǎn)單,具體形式繁多,在我國(guó)應(yīng)用較為廣泛。預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接技術(shù)相對(duì)復(fù)雜,但其性能較好,在澳大利亞等國(guó)家已被系統(tǒng)地研究和廣泛地應(yīng)用。2.2.1非預(yù)測(cè)膨脹套筒連接(1)抗剪鍵的設(shè)置這種連接是在光圓的鋼套筒與灌漿料接觸的表面設(shè)置堆焊條或焊接鋼筋等抗剪鍵,以提高灌漿料與套筒間的粘結(jié)強(qiáng)度以及摩擦系數(shù),進(jìn)而提高連接節(jié)點(diǎn)承載力。(2)利用樹(shù)脂及灌漿損害原理進(jìn)行節(jié)點(diǎn)加固骨料的灌漿套筒連接。與灌漿料接觸的表面先噴涂一層環(huán)氧樹(shù)脂,再噴涂一層燧石這種灌漿套筒連接是在鋼套筒骨料,利用環(huán)氧樹(shù)脂層將骨料粘附在鋼套筒壁上,以此增加套筒與灌漿料間的粘結(jié)強(qiáng)度及摩擦系數(shù),提高節(jié)點(diǎn)的極限承載力。(3)第二瓣或數(shù)瓣鋼套管連接灌漿卡箍套筒連接是將普通灌漿套筒連接的外套筒替換為用螺栓拼接起來(lái)的兩瓣或數(shù)瓣鋼套筒(圖3)。這種連接形式相當(dāng)于摩擦性高強(qiáng)螺栓夾箍、光圓灌漿套筒和抗剪鍵三種技術(shù)的綜合。這種技術(shù)在鋼管結(jié)構(gòu)的加固和修繕中使用相對(duì)較多,而新建節(jié)點(diǎn)中使用較少。2.2.2預(yù)測(cè)膨脹套筒連接(1)由機(jī)械預(yù)測(cè)膨脹套筒連接機(jī)械預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接是采用壓力泵等設(shè)備,在注入灌漿料時(shí)加壓,使灌漿料在凝固之后仍保持一定的預(yù)應(yīng)力,以增加節(jié)點(diǎn)承載力。(2)膨脹劑灌漿料預(yù)應(yīng)力的作用機(jī)理化學(xué)預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接的原理是在灌漿料中加入膨脹劑,固結(jié)后灌漿料體積發(fā)生膨脹,由于內(nèi)外兩側(cè)鋼套筒的約束作用而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力,依靠鋼套筒與灌漿料之間的黏結(jié)力與摩擦力傳遞軸力作用。3新型復(fù)合鎖的連接和研究3.1發(fā)電塔與鋼結(jié)構(gòu)的連接方式某風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)位于我國(guó)東部某省沿海區(qū)域,由數(shù)十臺(tái)近海風(fēng)力發(fā)電塔組成。工程位于潮間帶地區(qū),退潮時(shí)露出灘面,漲潮時(shí)海水深度2～3m。發(fā)電塔分為上部風(fēng)機(jī)塔筒部分和下部轉(zhuǎn)換鋼結(jié)構(gòu)及樁基,其中上部風(fēng)機(jī)塔筒高60～70m,風(fēng)機(jī)葉片位于筒頂,直徑約80m;下部轉(zhuǎn)換鋼結(jié)構(gòu)高約10m(離海床面高度),由承臺(tái)及灌漿套筒節(jié)點(diǎn)組成,節(jié)點(diǎn)連接打入海床的鋼管樁。風(fēng)機(jī)整體總高度約120m。發(fā)電塔及轉(zhuǎn)換鋼結(jié)構(gòu)的照片見(jiàn)圖4。考慮到發(fā)電塔工作環(huán)境的特殊性和施工環(huán)境的限制,該發(fā)電塔承臺(tái)與鋼管樁之間的連接采用灌漿套筒的方式。工程中采用國(guó)產(chǎn)化學(xué)灌漿料,其主要成分為高強(qiáng)水泥、細(xì)骨料以及微膨脹劑等混凝土外加劑。在較早批次的風(fēng)力發(fā)電塔中采用的是形式較為簡(jiǎn)單的灌漿套筒連接;在較晚批次的風(fēng)力發(fā)電塔中,科研及設(shè)計(jì)人員在之前經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究改進(jìn),設(shè)計(jì)并使用了新型的灌漿套筒連接方式。套筒接頭的設(shè)計(jì)基本原理為通過(guò)設(shè)置抗剪鍵或連接鋼板增加鋼套筒與灌漿料間的機(jī)械咬合力,并使之與套筒和灌漿料間的黏結(jié)力之和大于節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)荷載。3.2模型試驗(yàn)的內(nèi)容較早批次的灌漿套筒連接節(jié)點(diǎn)和后期改進(jìn)的灌漿套筒連接節(jié)點(diǎn)都在同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究(圖5)。兩種連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)均采用模型試驗(yàn),幾何相似系數(shù)1∶3,荷載相似系數(shù)1∶9。較早批次的連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)采用靜力單調(diào)加載,對(duì)于試件在軸心受壓以及偏心受壓時(shí)的承載力及變形等性能進(jìn)行研究。后期改進(jìn)的連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)采用循環(huán)反復(fù)加載,對(duì)于試件在偏向受壓以及偏心受拉時(shí)的承載力、變形以及灌漿料的應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明,這兩種灌漿套筒連接都有著較高的承載力,而且在極限荷載作用下也有著較小的變形。3.2.1節(jié)點(diǎn)抗壓承載力較早批次的灌漿套筒連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單,為有抗剪鍵的非預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接(圖6)。連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域高約2m,下部鋼管樁外徑1220mm,上部鋼套筒內(nèi)徑1500mm,鋼管樁與鋼套筒之間填充灌漿料。在鋼套筒的內(nèi)壁與鋼管樁的外壁分別沿高度等距焊接8根沿樁與套筒軸向布置的直徑20mm的光圓鋼筋作為抗剪鍵,以提高節(jié)點(diǎn)的承載力。該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求軸向抗壓承載力不小于3634kN,并應(yīng)能承受偏心距0.3m的3634kN的偏心壓力。同濟(jì)大學(xué)對(duì)于該種連接節(jié)點(diǎn)在軸心受壓荷載以及偏心受壓荷載作用下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。由于試驗(yàn)條件所限以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)于保守,試驗(yàn)中的各節(jié)點(diǎn)試件均未能加載至破壞,因此只能對(duì)其極限承載力的下限進(jìn)行估計(jì)。試驗(yàn)表明,該種連接有著較高的極限承載力以及較小的極限變形。其軸向極限抗壓承載力以及偏心距0.3m時(shí)的極限抗壓承載力均可以達(dá)到設(shè)計(jì)值的10倍以上。而在試驗(yàn)的最大荷載作用下節(jié)點(diǎn)試件的軸向變形也控制在2.5mm以下。3.2.2節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)對(duì)于某些受力較大的連接節(jié)點(diǎn),研究設(shè)計(jì)人員在之前的連接形式的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的灌漿套筒連接形式(圖7)。該種連接節(jié)點(diǎn)同樣為有抗剪鍵的灌漿套筒節(jié)點(diǎn),不同的是在設(shè)置焊接鋼筋的基礎(chǔ)上再布置一組連接鋼板。節(jié)點(diǎn)區(qū)域高約3.8m,下部鋼管樁外徑1200mm,上部鋼套筒內(nèi)徑1500mm,鋼管樁與鋼套筒之間填充灌漿料。在鋼套筒的內(nèi)壁與鋼管樁的外壁分別沿高度等距焊接12根沿樁與套筒軸向布置的直徑20mm的光圓鋼筋作為抗剪鍵,以提高節(jié)點(diǎn)的承載力。并且在節(jié)點(diǎn)頂部鋼套筒內(nèi)壁焊接一組倒L形的連接鋼板,以進(jìn)一步提高節(jié)點(diǎn)的承載力。該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求在偏心距0.4m的情況下,可以承受至少4000kN的壓力或者2000kN的拉力。同濟(jì)大學(xué)對(duì)于該種連接節(jié)點(diǎn)在偏心受拉與偏心受壓荷載的循環(huán)作用下的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。由于試驗(yàn)條件所限以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)于保守,試驗(yàn)中的各節(jié)點(diǎn)試件均未能加載至破壞,因此只能對(duì)其極限承載力的下限進(jìn)行估計(jì)。試驗(yàn)表明,該種連接有著較高的極限承載力以及較小的極限變形。偏心距0.4m時(shí),其極限抗壓承載力可以達(dá)到34488kN以上,極限抗拉承載力可以達(dá)到15435kN以上,遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)荷載。而在試驗(yàn)中試件的最大軸向變形也控制在4mm以下。試驗(yàn)還研究了在偏心荷載作用下該節(jié)點(diǎn)灌漿料的應(yīng)力應(yīng)變分布,研究發(fā)現(xiàn)灌漿料的最大應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)底部荷載偏心一側(cè)的灌漿料處。試驗(yàn)中將節(jié)點(diǎn)試件分為兩組,一組為不設(shè)置連接鋼板的試件,另一組為設(shè)置連接鋼板的試件。雖然由于未能加載到各試件的極限狀態(tài),無(wú)法得知設(shè)置連接鋼板的試件是否有更高的極限承載力,但是試驗(yàn)結(jié)果還是表明在同樣的荷載作用下設(shè)置連接鋼板的試件有著更小的變形。3.3灌漿套管連接技術(shù)的研究試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)于保守,試驗(yàn)推算的節(jié)點(diǎn)的極限承載力甚至可以達(dá)到設(shè)計(jì)承載力的10倍以上。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)于灌漿套筒連接技術(shù)的研究還不深入,缺乏成熟的實(shí)用設(shè)計(jì)方法。但從試驗(yàn)結(jié)果中仍然可以看出灌漿套筒連接有著優(yōu)異的性能,并且給研究設(shè)計(jì)人員留下了廣闊的研究創(chuàng)新空間。值得注意的是,通常非預(yù)應(yīng)力的灌漿套筒節(jié)點(diǎn)的實(shí)際承載力要略低于試驗(yàn)推算的承載力,這是因?yàn)樵趯?shí)際工程的水下施工時(shí)由于風(fēng)浪水流的沖擊作用,可能會(huì)使灌漿料在終凝前與抗剪鍵之間產(chǎn)生空隙。4灌漿套管連接技術(shù)灌漿套筒連接是一種性能優(yōu)異、造價(jià)低廉、施工方便的新型鋼管結(jié)構(gòu)連接方式,它可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)連接方式在諸多方面與領(lǐng)域的不足,有著廣闊的應(yīng)用前景和研究空間。目前主要應(yīng)用于海上構(gòu)、建筑物承臺(tái)與樁的連接,港口工程、地下工程中鋼管構(gòu)件的連接,未來(lái)還可廣泛地應(yīng)用于各工業(yè)民用建筑中鋼管構(gòu)件的連接、加固與改建。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,灌漿套筒連接已經(jīng)形成了許多種類的連接形式。其中,有抗剪鍵的灌漿套筒連接技術(shù)簡(jiǎn)單,施工方便,在我國(guó)有著廣泛的應(yīng)用;而化學(xué)預(yù)應(yīng)力灌漿套筒連接制作簡(jiǎn)單,施工方便,性能優(yōu)異