3.1 單樁基礎(chǔ)灌漿連接段

作為應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)型式之一，研究者對單樁基礎(chǔ)的研究與創(chuàng)新做了很多工作，在傳統(tǒng)圓柱形單樁灌漿連接段的基礎(chǔ)上開發(fā)出了圓錐形灌漿段。因此，對于單樁基礎(chǔ)灌漿連接段，主要有兩種形式，即圓柱形與圓錐形，如圖3-1所示。圓柱形灌漿連接段有一些輔助的支撐系統(tǒng)，如支撐板、螺栓連接等，而圓錐形灌漿連接段一般不設(shè)置剪力鍵，如圖3-2所示。

3.1.1 圓柱形灌漿連接段

圓柱形單樁灌漿連接段是目前工藝最成熟的連接形式之一，是對海洋石油平臺導(dǎo)管架灌漿連接段的一種沿用，對于導(dǎo)管架灌漿段的研究最早可以追溯到20世紀(jì)70年代，對該連接類型的研究有著比較豐富的經(jīng)驗(yàn)；但是由于受力形式的改變，使得單樁基礎(chǔ)灌漿連接段受力性能的研究仍有許多值得拓展的空間。

圓形的單樁基礎(chǔ)可分為有剪力鍵型和無剪力鍵型，典型的有剪力鍵圓柱形單樁基礎(chǔ)灌漿連接段如圖3-1（a）所示。剪力鍵能明顯增加灌漿連接段的軸向承載能力，但由于剪力鍵附近明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對灌漿連接段的疲勞性能有不利影響。在2009年之前的一系列設(shè)計規(guī)范都未明確規(guī)定是否需要使用剪力鍵，可由設(shè)計人員自行決定；但此舉為2009年以來大量出現(xiàn)的已建成海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)無剪力鍵的灌漿連接段滑移沉降的病害埋下了隱患。因此，2014年發(fā)布的挪威船級社（DNV）規(guī)范DNV-OS-J101（2014）《海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計》已經(jīng)明確傳遞軸力的灌漿連接段必需設(shè)計成帶有剪力鍵灌漿連接段或者圓錐形灌漿連接段的。而且該規(guī)范還明確了不可在做成圓錐形的同時使用剪力鍵，明確了剪力鍵的分布只限于灌漿連接段中間1/2有效長度的區(qū)域內(nèi)，如圖3-3所示。

在2009年以前，業(yè)界普遍認(rèn)為軸向的承載力可以由鋼管與漿體間界面的摩擦作用承擔(dān)，但是由于單樁基礎(chǔ)灌漿連接段受到反復(fù)彎矩荷載作用，荷載循環(huán)次數(shù)高達(dá)109次，反復(fù)彎矩作用下可能出現(xiàn)鋼管與漿體界面失效的情況。隨著風(fēng)電機(jī)組容量的增加，鋼管樁直徑越來越大，帶來徑厚比值的增加，使得鋼管向薄壁結(jié)構(gòu)方向靠攏，由此使得設(shè)計人員對軸向承載力的估計過大，從而導(dǎo)致了上述滑移事故的發(fā)生，正如DNV在2009年11月的規(guī)范變更說明中所述：DNV已經(jīng)明確現(xiàn)有的規(guī)范不能完全反映實(shí)際灌漿連接段的物理狀態(tài)，會高估其軸向承載力；DNV已經(jīng)完成了一系列試驗(yàn)研究，研究成果已包含在最新版本的規(guī)范中。

DNV-OS-J101（2014）已經(jīng)結(jié)合最新試驗(yàn)結(jié)果給出了剪力鍵分布在灌漿連接段中部的單樁基礎(chǔ)灌漿連接段抗彎承載力的近似理論模型。

在扭矩荷載的作用下，灌漿連接段通過灌漿體與鋼材表面的摩擦力來形成抵抗力矩，分析時一般假定摩阻力沿著表面均勻分布，力臂長度為鋼構(gòu)件的半徑。一般而言，單樁基礎(chǔ)的扭矩較大，故在DNV-OS-J101（2014）中，在圓柱形帶剪力鍵單樁基礎(chǔ)灌漿連接段增加了豎向剪力鍵以承擔(dān)扭矩的作用，單樁基礎(chǔ)灌漿連接段豎向剪力鍵布置如圖3-4所示，根據(jù)扭矩的大小，可在過渡段與鋼管樁上設(shè)置1根、2根或者4根豎向剪力鍵。

目前已有的共識是在灌漿連接段布置適當(dāng)?shù)募袅︽I。常見的剪力鍵形式為焊接矩形截面的鋼條、圓形鋼筋或者連續(xù)的焊道，如圖3-5所示。

3.1.2 圓錐形灌漿連接段

2009年以來出現(xiàn)的圓柱形無剪力鍵灌漿連接段的滑移事故促使DNV于2009年秋季至2011年1月開展了節(jié)點(diǎn)性能的專項(xiàng)研究，提出了圓錐形灌漿連接段的設(shè)計方案，如圖3-6所示。

圓錐灌漿連接段在海洋工程最早應(yīng)用是在荷蘭的一項(xiàng)工程中，荷蘭某風(fēng)電機(jī)組制造商首次在岸上風(fēng)電工程中使用了錐形的滑移連接段。但是此工程中的運(yùn)用是將兩個直徑不同的鋼管做成一定角度后套在一起，形成錐形的滑移連接。應(yīng)當(dāng)注意的是雖然稱為錐形連接，但是鋼管在豎直方向的傾斜角一般都小于4°，分析算例中的傾斜角僅為0.5°，也可認(rèn)為這種錐形連接亦是圓臺形連接。所謂滑移是在圓錐形的連接段安裝后由于自身重力作用，兩鋼管之間會發(fā)生相對的豎向滑移。這種滑移可以增加兩鋼管之間的接觸壓力，從而增加摩擦力，加強(qiáng)軸向承載力，并阻止進(jìn)一步滑移的發(fā)生。據(jù)當(dāng)時的報告記載，直徑為2.2m的兩鋼管，在連接段長度為3m時，安裝后的8年內(nèi)相對滑移不超過5cm。這種理念亦在文獻(xiàn)[7]對損傷焊接懸臂廣告牌的修補(bǔ)中得到了應(yīng)用，利用此錐形連接段代替原有焊接節(jié)點(diǎn)，可以提高節(jié)點(diǎn)疲勞壽命超過10倍以上，在200萬次循環(huán)下并未出現(xiàn)疲勞破壞，疲勞性能超過焊接修補(bǔ)。

綜上所述，錐形連接段有其獨(dú)有的優(yōu)勢，故而DNV將上述純鋼管錐形連接段和灌漿連接段組合在一起后得到如圖3-6所示的圓錐形灌漿連接段。在2014年（文獻(xiàn)[8]），有研究者指出這種結(jié)構(gòu)由于存在一定的滑移，是一種可控制破壞的工程結(jié)構(gòu)，在長期作用下的穩(wěn)定性仍然是不確定的；另一位研究者（文獻(xiàn)[9]）也指出這種灌漿連接段只能在承受單向軸力荷載作用的結(jié)構(gòu)中使用，無法像圓柱形灌漿連接段那樣廣泛應(yīng)用。

DNV-OS-J101（2014）規(guī)定在需要承擔(dān)軸向力的灌漿連接段必須做成帶有剪力鍵的圓柱形或無剪力鍵的圓錐形，但是不可同時做成圓錐形又帶有剪力鍵，這是由于圓錐形灌漿連接段允許一定的結(jié)構(gòu)沉降及末端漿體的壓碎，以增大鋼管與漿體接觸面的摩擦力；而剪力鍵處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，會加速漿體的碎裂現(xiàn)象，這對灌漿連接段的長期穩(wěn)定性不利，故而兩者不可同時運(yùn)用，并且規(guī)定圓錐形灌漿連接段鋼管的豎向傾斜角度不可超過4°。

由于上述對于傾斜角的規(guī)定，使得無剪力鍵圓錐形和無剪力鍵圓柱形灌漿連接段在彎矩作用下的受力模式幾乎相同，規(guī)范將這兩者在彎矩作用下的驗(yàn)算放在一起說明。然而兩者在軸力與扭矩作用下的受力模式則不盡相同：如前所述，DNV-OS-J101-（2014）考慮到長期作用下鋼管與漿體界面的磨損，不考慮無剪力鍵圓柱形灌漿連接段具有軸向承載力；而對扭矩的承載力，無剪力鍵圓柱形的計算方法如3.1.1“圓柱形灌漿連接段”所述；無剪力鍵圓錐形灌漿連接段需要考慮上部結(jié)構(gòu)的豎向位移和鋼管漿體接觸面相對位移間的關(guān)系，得到相應(yīng)的接觸壓力計算結(jié)果，具體計算過程可參見DNV-OS-J101（2014），而具體公式的推導(dǎo)過程可參見2010年DNV關(guān)于無剪力鍵灌漿連接段性能專項(xiàng)研究的研究報告（文獻(xiàn)[5]）。