3.1 单桩基础灌浆连接段

作为应用最广泛的基础型式之一，研究者对单桩基础的研究与创新做了很多工作，在传统圆柱形单桩灌浆连接段的基础上开发出了圆锥形灌浆段。因此，对于单桩基础灌浆连接段，主要有两种形式，即圆柱形与圆锥形，如图3-1所示。圆柱形灌浆连接段有一些辅助的支撑系统，如支撑板、螺栓连接等，而圆锥形灌浆连接段一般不设置剪力键，如图3-2所示。

图3-1 圆柱形和圆锥形灌浆连接段示意图

L—灌浆段长度；D—钢管桩直径；t—钢管桩壁厚；h—剪力键高度；s—剪力键间距

图3-2 不同单桩基础灌浆连接段类型

3.1.1 圆柱形灌浆连接段

圆柱形单桩灌浆连接段是目前工艺最成熟的连接形式之一，是对海洋石油平台导管架灌浆连接段的一种沿用，对于导管架灌浆段的研究最早可以追溯到20世纪70年代，对该连接类型的研究有着比较丰富的经验；但是由于受力形式的改变，使得单桩基础灌浆连接段受力性能的研究仍有许多值得拓展的空间。

圆形的单桩基础可分为有剪力键型和无剪力键型，典型的有剪力键圆柱形单桩基础灌浆连接段如图3-1（a）所示。剪力键能明显增加灌浆连接段的轴向承载能力，但由于剪力键附近明显的应力集中现象，对灌浆连接段的疲劳性能有不利影响。在2009年之前的一系列设计规范都未明确规定是否需要使用剪力键，可由设计人员自行决定；但此举为2009年以来大量出现的已建成海上风机基础无剪力键的灌浆连接段滑移沉降的病害埋下了隐患。因此，2014年发布的挪威船级社（DNV）规范DNV-OS-J101（2014）《海上风机支撑结构设计》已经明确传递轴力的灌浆连接段必需设计成带有剪力键灌浆连接段或者圆锥形灌浆连接段的。而且该规范还明确了不可在做成圆锥形的同时使用剪力键，明确了剪力键的分布只限于灌浆连接段中间1/2有效长度的区域内，如图3-3所示。

图3-3 单桩基础灌浆连接段剪力键布置

Rp—钢管桩半径；tp—钢管桩壁厚；RTP—过渡段半径；tTP—过渡段壁厚；Lg—灌浆长度；tg—灌浆厚度；s—剪力键间距

在2009年以前，业界普遍认为轴向的承载力可以由钢管与浆体间界面的摩擦作用承担，但是由于单桩基础灌浆连接段受到反复弯矩荷载作用，荷载循环次数高达109次，反复弯矩作用下可能出现钢管与浆体界面失效的情况。随着风电机组容量的增加，钢管桩直径越来越大，带来径厚比值的增加，使得钢管向薄壁结构方向靠拢，由此使得设计人员对轴向承载力的估计过大，从而导致了上述滑移事故的发生，正如DNV在2009年11月的规范变更说明中所述：DNV已经明确现有的规范不能完全反映实际灌浆连接段的物理状态，会高估其轴向承载力；DNV已经完成了一系列试验研究，研究成果已包含在最新版本的规范中。

DNV-OS-J101（2014）已经结合最新试验结果给出了剪力键分布在灌浆连接段中部的单桩基础灌浆连接段抗弯承载力的近似理论模型。

在扭矩荷载的作用下，灌浆连接段通过灌浆体与钢材表面的摩擦力来形成抵抗力矩，分析时一般假定摩阻力沿着表面均匀分布，力臂长度为钢构件的半径。一般而言，单桩基础的扭矩较大，故在DNV-OS-J101（2014）中，在圆柱形带剪力键单桩基础灌浆连接段增加了竖向剪力键以承担扭矩的作用，单桩基础灌浆连接段竖向剪力键布置如图3-4所示，根据扭矩的大小，可在过渡段与钢管桩上设置1根、2根或者4根竖向剪力键。

图3-4 单桩基础灌浆连接段竖向剪力键布置

目前已有的共识是在灌浆连接段布置适当的剪力键。常见的剪力键形式为焊接矩形截面的钢条、圆形钢筋或者连续的焊道，如图3-5所示。

图3-5 剪力键形式

3.1.2 圆锥形灌浆连接段

2009年以来出现的圆柱形无剪力键灌浆连接段的滑移事故促使DNV于2009年秋季至2011年1月开展了节点性能的专项研究，提出了圆锥形灌浆连接段的设计方案，如图3-6所示。

图3-6 典型圆锥形灌浆连接段示意图

p—接触压力；α—倾斜角

圆锥灌浆连接段在海洋工程最早应用是在荷兰的一项工程中，荷兰某风电机组制造商首次在岸上风电工程中使用了锥形的滑移连接段。但是此工程中的运用是将两个直径不同的钢管做成一定角度后套在一起，形成锥形的滑移连接。应当注意的是虽然称为锥形连接，但是钢管在竖直方向的倾斜角一般都小于4°，分析算例中的倾斜角仅为0.5°，也可认为这种锥形连接亦是圆台形连接。所谓滑移是在圆锥形的连接段安装后由于自身重力作用，两钢管之间会发生相对的竖向滑移。这种滑移可以增加两钢管之间的接触压力，从而增加摩擦力，加强轴向承载力，并阻止进一步滑移的发生。据当时的报告记载，直径为2.2m的两钢管，在连接段长度为3m时，安装后的8年内相对滑移不超过5cm。这种理念亦在文献[7]对损伤焊接悬臂广告牌的修补中得到了应用，利用此锥形连接段代替原有焊接节点，可以提高节点疲劳寿命超过10倍以上，在200万次循环下并未出现疲劳破坏，疲劳性能超过焊接修补。

综上所述，锥形连接段有其独有的优势，故而DNV将上述纯钢管锥形连接段和灌浆连接段组合在一起后得到如图3-6所示的圆锥形灌浆连接段。在2014年（文献[8]），有研究者指出这种结构由于存在一定的滑移，是一种可控制破坏的工程结构，在长期作用下的稳定性仍然是不确定的；另一位研究者（文献[9]）也指出这种灌浆连接段只能在承受单向轴力荷载作用的结构中使用，无法像圆柱形灌浆连接段那样广泛应用。

DNV-OS-J101（2014）规定在需要承担轴向力的灌浆连接段必须做成带有剪力键的圆柱形或无剪力键的圆锥形，但是不可同时做成圆锥形又带有剪力键，这是由于圆锥形灌浆连接段允许一定的结构沉降及末端浆体的压碎，以增大钢管与浆体接触面的摩擦力；而剪力键处易产生应力集中，会加速浆体的碎裂现象，这对灌浆连接段的长期稳定性不利，故而两者不可同时运用，并且规定圆锥形灌浆连接段钢管的竖向倾斜角度不可超过4°。

由于上述对于倾斜角的规定，使得无剪力键圆锥形和无剪力键圆柱形灌浆连接段在弯矩作用下的受力模式几乎相同，规范将这两者在弯矩作用下的验算放在一起说明。然而两者在轴力与扭矩作用下的受力模式则不尽相同：如前所述，DNV-OS-J101-（2014）考虑到长期作用下钢管与浆体界面的磨损，不考虑无剪力键圆柱形灌浆连接段具有轴向承载力；而对扭矩的承载力，无剪力键圆柱形的计算方法如3.1.1“圆柱形灌浆连接段”所述；无剪力键圆锥形灌浆连接段需要考虑上部结构的竖向位移和钢管浆体接触面相对位移间的关系，得到相应的接触压力计算结果，具体计算过程可参见DNV-OS-J101（2014），而具体公式的推导过程可参见2010年DNV关于无剪力键灌浆连接段性能专项研究的研究报告（文献[5]）。