三角桩基础及其在海洋工程中的应用

1.一般描述

三角桩基础概念由一个钢架组成，它将塔架上的截面力转换成打入海床的三根空心钢桩上的拉伸和压缩载荷。固结法兰以下，有一个大直径的管作为中心支撑体，向下延伸。在固结法兰上某个截面以上中心支撑体的直径与塔架一致，而在该截面以下过度段直径逐渐减小，厚度逐渐增加，如图8-16所示。由于三角桩基础概念仍在发展中，此处的描述相对较为简单。

由于若干原因，这种概念有如下优点：

1）由于直径减小，用作腐蚀装置的钢结构体积可以减小。

2）与支撑体连接的支撑腿架结构可以通过采用不同的直径进行改进。这样支撑体与支撑腿架之间连接结构的冲击剪切能力得到增强，刚度得到改进。这对得到期望的寿命是非常关键的。

3）锥形过渡段将减少控制设计的结冰载荷，根据环境条件锥形过渡段必须高过所有情况下的海平面，以保证减小结冰载荷。

4）减小了液压载荷。

图8-16 三角桩

框架的每一条腿由桩、桩套以及两个支架组成。在桩沉入之前，在每一个桩套底部放置一个泥垫将结构支撑在海床上。在沉桩以后在桩和桩套之间的环形区域灌注水泥浆，形成牢固的连接。建议在垂直方向连续击打桩，以保证桩的中心线与主载荷作用点在三角桩结构上相交。注意在沉桩过程中，过度打桩时，要求锤横向支撑，因此应该加以避免。

作为使用三角桩支撑三角结构的替代方案，可以采用所谓的裙状基础，如形成抽吸碗来将载荷传递到土壤上。每一个抽吸碗支撑三角桩基础的一条腿。如果基础采用这种抽吸碗，三角桩结构的变化是可能的，支持塔架的中心支撑体可以进一步延伸下来直接支撑在海床上，而且也可以由抽吸碗支撑。中心支撑体由抽吸碗支撑的结构，只需要两个附加的支撑抽吸碗。支撑碗的结构彼此相互垂直，这意味着维护船可以在270°角度范围内进入。这种设计，中心体更多地主动参与了将力从塔架传递到海床上。所有支撑元素，包括中心体，设计成圆管作为支撑部件，因此只传递压力和拉力，如图8-17所示。

三角桩基础在塔架和三角结构的支撑体之间采用锥形过渡段作为破冰锥。当凝结的冰被推向结构体时，锥形过渡段向下压迫冰，在小于塔架直径的某一水平面上发生破裂，作用在结构上的冰载荷相应减小。要完全消除结冰载荷是不可行的，因为这样会要求锥形过渡段的锥度远远超过所涉及管件可能的直径。采用锥形过渡段作为破冰锥的缺点是中心体上承受向上的垂直冰载荷。但是垂直承载能力通常是很大的，这个缺点一般不是什么关键的问题，只需要设计时适当加以考虑即可。

三角桩基础不适合太浅的水深，这是因为：

1）这种结构所用部件上面要求有足够的水深，以保证维护船只能够靠近结构。

2）如果水深很浅，支架上部和下部之间的距离就太短，难以保证传力部件有合理的截面尺寸。

3）支架伸出水面的解决方案，由于可能造成冰的锁结或包覆，从而可能碰撞维修船只，因此不是好的解决方案。

三角桩基础对波浪和潮流造成的阻碍相对较小，这在环境敏感地区是十分重要的。在海上风电场，由于要构筑大量的基础，这种基础是适用的。

图8-17 带抽吸碗的三角桩

2.地质分析——桩

在断裂极限状态，基础分析应该包括弹性分析和塑性分析，这两种分析检查描述如下：

在弹性分析中，对桩和结构在设计载荷（ULS）和设计材料下的应力进行检查。任何一个桩允许达到它的设计最大许用应力。这个冯·密塞斯应力的许用设计值为屈服应力f_y除以钢强度的部分安全因子。分析结果必须使得桩钢材的利用率达到最小。在塑性分析中，整个三角桩结构在设计载荷（ULS）和设计材料特性下进行检查。假如三角桩作为整体可以吸收设计载荷，所用桩允许达到屈服或完全失效。

塑性设计力矩可以按下式计算：

式中 M_P（N）——设计塑性力矩承载能力，它是轴向力的函数；

N——桩的轴向力；

σ_y——钢的名义屈服应力；

W_P——塑性截面模量；

D——桩的直径；

t——桩的壁厚；

A——桩的钢截面面积。

至少，分析结构必须包含桩的利用率，确保有足够的渗入深度。所有桩允许达到设计塑性力矩。桩头上承受的力和力矩应该和作用在结构上的设计载荷平衡，并且小于或等于允许的设计值。

在弹性和塑性分析中，必须考虑下面的特点：

1）与桩相互连接的上部结构的线弹性；

2）桩横向和轴向的非线性特性；

3）桩群效应；

4）桩上的二阶力矩；

5）土壤的插入深度取桩的埋入深度的0.9倍。

利用API方法（1993），对考虑轴向承载能力的t-z曲线和q-w曲线方法以及考虑横向承载能力的p-y方法进行拓展后可以采用。

如果给定表面摩擦和端部抵抗的特征值，桩—土壤相互作用的t-z曲线可以通过计算机程序来建立。曲线的形状由下式来描述：

式中 G——剪切模量；

z——桩—土壤的挠度；

D——桩的直径；

t_max——最大表面摩擦，根据API规范计算；

E——杨氏模量；

ν——泊松比。

参见Clausen等人相关研究（1982）。

描述顶部载荷—位移关系的q-w曲线的形状假定是双线性的，也即桩—土壤之间的相对位移以及导致屈服的桩直径的5%的相对位移。

横向承载能力可以根据采用循环土壤强度的API-PR2A-WSD规范的p-y数据计算。曲线模型所需要的土壤参数如下：(www.xing528.com)

1）黏土：

①c_u：未排水的剪切强度；

②γ′：埋土单位重量；

③J：经验常数；

④ε₅₀：实验室未排水压缩实验中，在1/2最大应力情况下的应变。

2）沙土：

①γ′：埋土单位重量；

②ϕ：内摩擦角（平面）。

曲线和桩群效应可以采用有关的计算机程序进行模化。

在对桩的横向和轴向线性行为进行固有频率分析和疲劳分析时，可以假定并模化成弹簧系数。真实的桩—土壤相互作用关系通常是一条平滑的非线性曲线，所取的弹簧系数取作平滑曲线的初始斜率。

3.地质分析—抽吸盘

抽吸盘限制盘外面的水流到盘内。载荷的突然变化产生一个可观的向外抵抗，如果要维持载荷平衡，载荷需要逐渐减小。盘内由于抽吸就形成了这种抵抗，它可以对突然施加的载荷产生反作用。吸盘基础主要是为了吸收峰值载荷。超过一定限制的静态载荷并作用一定的时间就会逐渐将吸盘拽出，让水流入吸盘，因此会逐渐抵消和消除吸盘内部的抽吸条件。

这是一种利用吸盘技术来设计海上风力机基础的新技术。吸盘（或差压）技术也应用于船的锚定设备（延伸腿平台），它可以代替桩用于固定腿平台。但是，为了保证海上风力机的裙状基础对液压的不稳定性有足够的抵抗能力，仍然要求进行模型试验和分析。

4.结构分析（极限状态）

结构和所有结构部件都必须针对3个极限状态进行验证。对不同的极限状态有不同的载荷部分安全因子。由于失效后果已经限制（仅限于财产损失，而无人员伤亡），可以采用DS449的标准安全等级（1983）。

在断裂极限状态（ULS），结构针对极限载荷进行校核。海床以上的结构应该能够承受这些载荷，而不会倒塌或产生永久变形。对桩而言，可以采用发展的塑性失效模式进行分析。水平冰载荷采用静态冰载荷乘以一个动态放大因子（DAF）得到。垂直冰载荷可以使结构不稳定，因为它是向上的载荷。

在服役极限状态（SLS），考虑不同的沉降差异，在允许基础的倾斜方面特别强调检查最大挠度。在这种状态，不需要包括基础上的动载荷，因为这些载荷对整个三角桩基础运动的贡献很小。所有部分载荷因子假定一致，如计算中采用特征载荷。风力机的载荷在所有动载荷工况中是最坏的破坏载荷工况。在这种特征载荷下，最大允许的倾斜角是相对垂直方向0.5°。

对结构而言，疲劳是需要主要考虑的。根据不同地理方向上波浪的详细信息，确保疲劳寿命不低于设计寿命是十分重要的。中心支撑体过渡到冰锥以及与支架连接之间的截面积并不是由疲劳来决定的，它只需要考虑塔架的纯弯曲对应力的贡献，这会导致上部连接处在与所施加的力矩轴线垂直的两点上产生最大应力。这个应力在两点之间线性变化，但随风向变化，这两点的位置也在移动。因此，载荷（幅值和应力循环数）应在截面固定的关键点上施加，如疲劳载荷只需在一个特定的方向施加，这个方向取最关键的方向。锥形过渡段诱导附加的应力，必须加以考虑。设计人员必须找到内部加强钢环可行的位置，在这个位置锥与管连接，减小锥形段的整体尺寸。有3种可行的刚性构造如下：

1）内部加强刚环；

2）加大头部；

3）支架伸入中心支撑体在中心线彼此相连，因此支架腿之间直接分配载荷。

考虑内部升降机、导体、电缆等的间隙要求选择最优的方案。

5.固有频率分析

完整的固有频率分析应该结合结构，包括风力机、塔架、三脚架以及桩来进行。因此非线性的土壤必须线性化，必须确保最低的频率偏离在额定功率下为转子的1P和3P频率±10%。

6.灌浆接头

轴向承载的桩—套接头必须采用DNV（1977）给出的公式，安全因子取3.0来进行校核。这些接头在石油/天然气工业系统中广泛采用。这些系统包括附结在管线上的以及桩套上部水面以上出口与简单支管连接的挠性灌浆管线（外径为50mm）。

7.防腐

有两种具有明显优点的方案作为基本防护，两种都是阴极保护：

1）在结构海平面以下部分放置“锌—铝”型牺牲阳极作为一个细长的“可控”阳极。

2）抑制电流系统。

牺牲阳极系统的缺点是需要检查。根据水中的盐分含量情况，牺牲阳极系统在设计寿命期内可能必须进行更换。由于风力机现在已有在线监测系统，测量抑制电流系统的电势差非常容易。但是，电流可能会对远程监控和海上钢结构的绝缘造成麻烦。根据ISO8501-1n标准，对整个结构必须预先进行喷砂、涂漆，保证钐厚度至少达到2½。喷砂底限以上部分面积必须涂上2.5mm的无溶剂环氧漆，其余部分的涂漆与船类似，以适应结构现场环境。

8.冲刷保护

三角桩基础不需要冲刷保护。由于靠近海床附近所有部件的整体尺寸较小，对水流速度的增加很小，因此几乎没有局部冲刷。但是，设计时应该考虑三角桩周围局部和整体冲刷的存在，中心支撑体必须用法兰密封以避免内部水和周围海水的共振。

9.安装

除了按8.1节描述的进行地球物理调查和地质研究之外，在安装之前，需要进行必要的海床整理以建立泥土平台。泥土平台的目的是在最终打入3个桩之前确保底部的稳定性。它们设计成满足下列要求：

1）土壤的轴向和横向承载能力；

2）桩插入时的横向抵抗；

3）安装间隙的水平调整。

根据合同所作的选择，安装程序有很多的内容，因此这里不作考虑。

10.维护

钢结构维护的活动对三角桩基础并无特殊之处，而与所有钢基础一样。

（1）裂纹监测

焊接接头的裂纹监测必须定期进行，至少应坚持到对结构有了整体经验为止。裂纹监测包括特定时间间隔内的超声波和X射线检查。对三角桩所考虑的关键细节是中心体和上部支架之间的锥形体与接头。三角桩的NDT检查，由于中心体在接头下某一部位密封，因此允许进行干式试验。结构可以安装附属点，以放置扫描设备。

除了规定允许的疲劳应用外，设计还可以允许在初始生产成本和后续维护成本之间进行优化。

（2）表面防护系统

维护包括对漆层破环的修复以及对抑制电流系统的监测/维护。抑制电流系统在阳极更换以后一般的寿命是15～25年。

11.拆除

三角桩基础可以在泥线以下某一位置通过割除桩进行拆除，留下的桩剩余部分不会造成生态威胁。桩的全部拆除可以按打桩相反的步骤进行，也可以通过振动设备完成。

如果基础采用抽吸盘，三角桩基础可以完全拆除。