郝增辉 朱炜炜中交一航局第三工程有限公司摘 要：本文从实际工程出发，研究海上风电超大、超长、超重的钢管桩采用法兰盘结构吊装翻转施工的受力情况，分别从规范公式计算、模型理论分析和有限元计算出发，对比了两种计算结果，为类似工程提供参考。
关键词：钢管桩;法兰盘;规范计算;有限元计算;对比分析;近年风力发电行业得到了大力发展，海上风电项目逐渐增多，超大、超长、超重的钢管桩结构单桩基础的应用越来越多，并且海上风电项目基本都位于风大浪高的恶略海域，需要大型方驳运输、专用打桩船沉桩、特殊吊具吊装翻转，施工风险极大，作业窗口有限，投入也非常大。
钢管桩单桩基础顶部一般设置法兰结构用于安装风机塔筒，该法兰结构一般分为两种:有加劲肋的刚性法兰和无加劲肋的柔性法兰。
本文充分利用钢管桩顶部法兰特点，利用吊具，优化节省钢管桩设计既有吊耳，节约成本，受力对比分析，为类似工程提供参考依据，积累工程经验。
1 工程背景和结构形式说明某风电项目采用的钢管桩单桩基础总长66.32m，单桩总重量812.4t，桩径6.0～6.7m，壁厚从上至下分别为:75mm。
顶部采用柔性法兰连接。
呈圆环状，外圆直径6000mm，内圆直径5394mm，圆环宽303mm，沿圆周均布144个Φ59螺栓孔，厚127mm，呈倒“L”型，与顶部75mm厚的钢管桩焊接。
螺栓间距:s=3.14×5685/144=124mm。
图1 法兰盘结构图 下载原图法兰盘材质:Q355NE-Z35，为连铸圆坯整体锻造。
法兰盘与钢管桩之间为焊接，焊缝等级I级，焊后进行磨平处理，并打磨光滑，与母材平滑过渡，符合DNV-RP-C203规定。
2 受力计算依据和模型理论分析无加劲肋法兰，包括:管壁、法兰盘和螺栓三部分，受力为杠杆原理，当法兰在轴力或弯矩作用下，内边缘张开、外边缘顶紧，张开的拉力对螺栓产生作用。
模型中，把管壁和法兰盘沿圆周分成n条，每一条结构中只有一个螺栓作用。
如图2所示。
无加劲肋法兰的计算，采用《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》的计算公式:(1)螺栓受力计算(1)法兰轴心受拉作用时:一个螺栓对应的拉力:一个螺栓受的最大拉力:式中:M为法兰盘螺栓受力修正系数，取0.65;N为法兰所受的拉力;n为法兰盘上螺栓数目。
(2)法兰受拉(压)、弯共同作用时:一个螺栓对应的拉力:图2 无加劲肋法兰计算模型图 下载原图式中:M为法兰所受弯矩，N·mm;N为法兰所受轴力，拉为正、压为负;r为钢管外壁半径，mm。
(2)柔性法兰板受力计算式中:S为螺栓间距，mm,S=(r2+b)·θ;Rf为法兰板间顶力;θ为两螺栓间圆心角(rad)。
规范《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》中给出的简化计算公式，是考虑了法兰刚度影响的无加劲肋法兰节点模型，但该公式存在一定的缺陷，如:反映不出法兰盘厚度对螺栓受力性能的影响;变截面法兰盘受力的修正等。
因此，需要进一步对受力模型进行充分的研究，确保结构安全。
3 施工受力过程计算3.1 工艺简述采用自制吊具与钢管桩法兰螺栓连接，每侧21颗螺栓，共42颗，螺栓型号为10.9级，直径56mm。
单桩吊具额定荷载1000t，其中水平时，力臂为1025mm。
每个螺栓承载力设计值:图3 钢管桩吊装图 下载原图图4 钢管桩吊装翻转工况图 下载原图钢管桩利用方驳运输、吊船起吊、平台稳桩的办法海上施工。
单桩翻转采用双船抬吊的办法，即:一艘船在首段采用自制吊具与钢管桩法兰螺栓连接，另一艘船在尾端吊装，两船配合作业。
3.2 工况分析根据该施工工艺，确定法兰盘受力计算工况3种:图5 受力工况 下载原图表1 施工工况和荷载组合 下载原图3.3 参照规范计算结果其中:G为自重，G=F=812.4t;L为钢管桩总长，取66.32m;S为吊具悬臂总长，取1.025m。
另外，考虑:冲击系数取:1.3、活载分项系数:1.4、恒载分项系数:1.2、荷载不均衡系数1.2，受力计算结果如表2。
表2 计算结果 下载原图各工况计算结果均满足要求。
4 有限元计算结果对比说明利用有限元对法兰盘受力计算进行复核。
法兰受弯矩和轴力共同作用，将模型等效为:上部钢管顶端截面处施加轴向力和水平力，其中轴向力等效法兰受到轴拉力作用，而水平力则等效法兰盘节点处受到弯矩作用;在下部钢管的底端截面处将所有节点的自由度限制为0，使整个截面固支.通过以上计算分析，法兰盘受力最大工况为:钢管桩垂直，即工况三。
此时单个螺栓承受拉力:Tb=812.4×10÷42×1.2×1.3=301.7kN采用Midas有限元软件，建立实体模型，材料选取:S355N/NL，选取1/2结构，即:21个螺栓与法兰盘连接建立整体实体模型，计算如下:经过计算，法兰盘与钢管桩连接部位应力和剪力最大。
法兰盘细部计算结果如下:图6 计算模型图 下载原图图7 最大应力图/MPa 下载原图图8 最大剪力图/MPa 下载原图可以看出，法兰盘部分的应力由36.5～160.4MPa变化，与钢管桩焊接部位应力最大为:σmax=268.4MPa;剪力由20.6～90.9MPa变化，与钢管桩焊接部位应力最大:τmax=149.4MPa。
均满足要求。
最大应力应变细部详图如下:图9 细部最大应力图/MPa 下载原图图1 0 细部最大剪力图/MPa 下载原图5 结论(1)以上从规范公式计算和有限元分析出发，对比分析了，超大、超长、超重的钢管桩采用法兰盘结构，翻转施工的受力情况，均满足要求，说明:采用吊具吊装钢管桩顶部法兰、省去钢管桩既有吊耳、节约成本的思路，从结构安全角度考虑是可行性的;(2)从规范的原理可以看出:计算公式受力模型利用杠杆原理，根据力学平衡条件，并考虑修正系数的影响，理论推导而来的，其修正系数(柔性法兰m取0.6)，虽然能够反映出法兰盘刚度对螺栓受力性能的影响，但其并不能反映哪些刚度因素，是如何影响螺栓受力性能的;(3)从规范的原理可以看出:计算公式并不能反映出法兰盘厚度对受力结果的影响，因此规范计算结果只是一个确定值;(4)可以看出，法兰盘内边缘张开而外边缘顶紧，螺杆全截面受拉，但拉应力分布并不均匀，其靠近法兰盘张开侧的拉应力分布较大，螺母与法兰盘接触处则有压应力产生，这说明法兰盘对螺栓有附加偏心力作用，并且该附加偏心力使螺杆产生了附加弯矩;(5)通过有限元计算分析，说明随着法兰盘悬臂段由大变小，其应力应变由小到大，法兰板厚度越大，在相同的拉弯荷载作用下，法兰盘应力越小.所以，螺栓所受的最大拉力是随着法兰板厚度的增加而减小的;(6)将有限元计算结果与规范计算结果对比可以看出，采用规范公式计算结果虽满足要求，但是结果偏小，建议类似空间复杂结构，使用有限元分析计算，比较合理。
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