灌浆套筒连接技术及其应用

第 27 卷第 3 期 2011 年 6 月 结 构 工 程 师 Structural Engineers Vol． 27，No． 3 Jun． 2011 收稿日期:2011 － 03 － 02 * 联系作者，Email:hanrl88@ 163． com 灌浆套筒连接技术及其应用 韩瑞龙 施卫星 周 洋 (同济大学结构与防灾研究所，上海 200092) 摘 要 首先介绍了灌浆套筒连接技术的原理与优势，以及该技术的研究历程与发展现状。以某近海 风力发电工程为例，列举了两种灌浆套筒连接形式，介绍了同济大学针对这两种连接节点分别在偏心 受压与轴心受压作用下以及偏心受压和偏心受拉的循环作用下的承载力、变形等性能进行的试验研究， 并对试验研究结果进行了简要的总结。指出灌浆套筒连接技术具有广阔的前景和应用空间，同时 也提出了当前国内研究的不足以及需要解决的问题。 关键词钢管结构，灌浆套筒连接，灌浆料，粘结强度 Grout Sleeve Connection and Relevant Applications HAN Ruilong SHI Weixing ZHOU Yang (Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai 200092，China) Abstract The principles and advantages of grout sleeve connection as well as its research history and current situation are introduced firstly． Then two specified connection forms used in an offshore wind power project are exemplified and the relevant test research which was carried on in Tongji University aiming to test the performance，including bearing capacity and deformation，of those two types of joints under axial and eccentric compression and cyclic loading of eccentric compression and tension respectively is briefly described． The results of the test research are also summarized and analyzed． Finally，the broad prospect and application space of the grout sleeve connection are indicated． Meanwhile the deficiencies of the research work in China and the problems to be solved are also described． Keywords steel tube structure，grout sleeve connection，grouting material，bond strength 1 引 言 灌浆套筒连接是一种由于工程实践的需要和 技术发展而产生的新型钢结构连接方式，该种连 接方式的出现弥补了传统的钢结构连接方式(主 要包括焊接和螺栓连接)的不足，并得到了迅速 的发展和应用。 由于近几十年来能源的需求量大幅增长，人 们不得不把获取资源的目光转向海洋，越来越多 的海上构筑物和建筑物如海上石油开采平台、近 海风力发电塔等投入使用。海洋环境的特殊性如 湿度大、海水腐蚀性强、海浪冲击的疲劳荷载等都 使得传统的钢结构连接形式不再适用，在这样的 背景下，灌浆套筒连接技术应运而生。灌浆套筒 连接技术的原理是通过在内外套筒间的环形间隙 中填充水泥浆等灌浆料的方式来连接内外两根直 径不同的钢管(图 1) ，并通过凝固之后的内外套 筒间的灌浆料的剪切强度来传递轴向力。 灌浆套筒连接技术的优势主要体现在结构和 施工两个方面。结构方面的优势主要包括: (1)内外套筒的重叠区域提供了附加刚度， 套筒间的灌浆料增强了结构吸收能量的能力，这 样就改善了结构抵抗水流及船舶冲击的能力; (2)节点区相对较大，有效减小了应力集中; (3)重叠的内外套筒和之间的灌浆料增强了 节点的承载力以及抗疲劳性能。 1 －发电塔桩脚;2 －灌浆料;3 －钢管桩 图 1 某海上风力发电塔桩脚的灌浆套筒连接 Fig． 1 The grout sleeve connections at the pile foot of a offshore wind turbine 施工方面的优势主要有: (1)施工精度要求低，对施工人员素质以及 施工环境要求不高; (2)由于灌浆料多为水硬性，所以水下 施工方便，无需施焊或者大量的潜水作业; (3)工厂化程度高，现场装配简单快捷。 目前，该技术在海上构、建筑物的基础与上 部的连接中迅速普及。随着该技术的日臻完善， 灌浆套筒技术的应用已经扩展到了钢管结构与管 线结构的修缮与加固改造中(图 2)。 图 2 灌浆套筒技术在钢管结构修缮与加固改造中的应用 Fig． 2 The applications of grout sleeve technique in repairing and strengthening work o steel tube structure 2 灌浆套筒连接技术发展和分类 2． 1 灌浆套筒连接技术的发展及国内外研究 现状 最初的灌浆套筒连接中，荷载的传递仅仅依 靠灌浆料与内外钢套筒之间的黏结。因此灌浆料 与钢套筒之间的黏结强度以及套筒重叠区的长度 是决定节点连接强度的主要因素。但是单纯的光 圆套筒和普通的灌浆料组成的灌浆套筒连接的剪 力传递效率低下，需要较大的相对位移，因此随 后出现了两大类改进的连接:一类是非预应力的 灌浆套筒连接，通过在套筒内壁加设抗剪键、喷 射环氧树脂 －骨料等方式来增强套筒内壁与灌浆 料之间的摩擦力，以此提高灌浆料的传力效率， 提高节点承载力;另一类则是预应力的灌浆套筒 连接，通过使用压力泵灌浆或使用自膨胀的灌浆 料来使灌浆料和内外筒壁之间产生预应力的挤压 作用，来增大灌浆料与套筒之间的摩擦力，从而 提高灌浆料的传力效率和节点的承载力。 英国对于灌浆套筒连接技术进行了最早的系 统研究。英国帝国理工学院在 20 世纪 80 年代到 90年代对于预应力灌浆套筒连接的性能进行了一 系列的试验研究及数值模拟，研究包括机械预应力 以及化学预应力两种形式［1］。日本川崎钢铁公司 的山崎等人在同一时期对于化学预应力灌浆套筒 连接也进行了动力和静力作用下的性能研究［2］。 澳大利亚在 20 世纪 90 年代之后对这一技术 进行了系统而深入的研究。莫纳什大学的 Foo J 等［3］在 20 世纪 90 年代初通过试验和数值模拟对 填充膨胀水泥浆的化学预应力灌浆套筒连接进行 了静力荷载和疲劳荷载作用下的性能研究。近年 来，莫纳什大学的赵晓林等［4，5］对于该种连接在 大振幅动力荷载作用下、高温作用下以及极端室 外气候条件下等一系列情况下的性能进行了试验 研究和数值分析，取得了大量的研究成果。 我国对于灌浆套筒连接的研究相对较为落 后，同济大学的蒋首超等［6］对于灌浆套筒节点技 术进行过简要研究，浙江大学的龚顺风等［7］对海 洋平台的灌浆卡箍技术进行过研究。随着工程的 需要，近年来越来越多的单位开始对此项技 术进行研究，但相比而言，国内的研究还缺乏系 统性和深入性。 2． 2 灌浆套筒连接的分类 按照灌浆料在凝固之后是否存在预应力，可 以将灌浆套筒连接分为非预应力灌浆套筒连接以 及预应力灌浆套筒连接。相比而言，非预应力灌 浆套筒连接技术较为简单，具体形式繁多，在我 国应用较为广泛。预应力灌浆套筒连接技术相对 ·051·Structural Engineers Vol． 27，No． 3 State of the Art 复杂，但其性能较好，在澳大利亚等国家已被系 统地研究和广泛地应用。 2． 2． 1 非预应力灌浆套筒连接 (1)有抗剪键的灌浆套筒连接。这种连接是 在光圆的钢套筒与灌浆料接触的面设置堆焊条 或焊接钢筋等抗剪键，以提高灌浆料与套筒间的 粘结强度以及摩擦系数，进而提高连接节点承 载力。 (2)喷涂环氧树脂 骨料的灌浆套筒连接［6］。 与灌浆料接触的表面先喷涂一层环氧树脂，再喷 涂一层燧石这种灌浆套筒连接是在钢套筒骨料， 利用环氧树脂层将骨料粘附在钢套筒壁上，以此 增加套筒与灌浆料间的粘结强度及摩擦系数，提 高节点的极限承载力。 (3)无预应力的灌浆卡箍套筒连接。灌浆卡 箍套筒连接是将普通灌浆套筒连接的外套筒替换 为用螺栓拼接起来的两瓣或数瓣钢套筒(图 3)。 这种连接形式相当于摩擦性高强螺栓夹箍、光圆 灌浆套筒和抗剪键三种技术的综合。这种技术在 钢管结构的加固和修缮中使用相对较多，而新建 节点中使用较少。 2． 2． 2 预应力灌浆套筒连接 (1)机械预应力灌浆套筒连接。机械预应力 灌浆套筒连接是采用压力泵等设备，在注入灌浆 料时加压，使灌浆料在凝固之后仍保持一定的预 应力，以增加节点承载力。 图 3 灌浆卡箍套筒连接示意图 Fig． 3 A schematic diagram of grouted clamp connection (2)化学预应力灌浆套筒连接。化学预应力 灌浆套筒连接的原理是在灌浆料中加入膨胀剂， 固结后灌浆料体积发生膨胀，由于内外两侧钢套 筒的约束作用而产生预应力，依靠钢套筒与灌浆 料之间的黏结力与摩擦力传递轴力作用。 3 某新型灌浆套筒连接及研究 3． 1 工程背景 某风力发电场位于我国东部某省沿海区域， 由数十台近海风力发电塔组成。工程位于潮间带 地区，退潮时露出滩面，涨潮时海水深度 2 ～ 3 m。 发电塔分为上部风机塔筒部分和下部转换钢结构 及桩基，其中上部风机塔筒高 60 ～ 70 m，风机叶 片位于筒顶，直径约 80 m;下部转换钢结构高约 10 m(离海床面高度) ，由承台及灌浆套筒节点组 成，节点连接打入海床的钢管桩。风机整体总高 度约 120 m。发电塔及转换钢结构的照片见图 4。 图 4 某近海风力发电塔底部的灌浆套筒连接 节点(图中有 3 个连接节点) Fig． 4 The grout sleeve connections at the bottom of a offshore wind turbine(there are three joints in the picture) 考虑到发电塔工作环境的特殊性和施工环境 的限制，该发电塔承台与钢管桩之间的连接采用 灌浆套筒的方式。工程中采用国产化学灌浆料， 其主要成分为高强水泥、细骨料以及微膨胀剂等 混凝土外加剂。在较早批次的风力发电塔中采用 的是形式较为简单的灌浆套筒连接;在较晚批次 的风力发电塔中，科研及设计人员在之前经验的 基础上进行研究改进，设计并使用了新型的灌浆 套筒连接方式。套筒接头的设计基本原理为通过 设置抗剪键或连接钢板增加钢套筒与灌浆料间的 机械咬合力，并使之与套筒和灌浆料间的黏结力 之和大于节点的设计荷载。 3． 2 连接构造及节点性能试验研究 较早批次的灌浆套筒连接节点和后期改进的 灌浆套筒连接节点都在同济大学进行了相关的试 验研究(图 5)。两种连接节点的试验均采用模型 试验，几何相似系数 1∶ 3，荷载相似系数 1∶ 9。较 早批次的连接节点的试验采用静力单调加载，对 于试件在轴心受压以及偏心受压时的承载力及变 形等性能进行研究。后期改进的连接节点试验采 用循环反复加载，对于试件在偏向受压以及偏心 受拉时的承载力、变形以及灌浆料的应力应变分 布进行研究。研究结果表明，这两种灌浆套筒连 接都有着较高的承载力，而且在极限荷载作用下 也有着较小的变形。 ·151··文献综述· 结构工程师第 27 卷第 3 期 图 5 试验的加载装置 Fig． 5 The loading device of the test 3． 2． 1 较早批次的灌浆套筒连接 较早批次的灌浆套筒连接节点构造较为简 单，为有抗剪键的非预应力灌浆套筒连接(图 6)。连接节点区域高约 2 m，下部钢管桩外径 1220 mm，上部钢套筒内径 1500 mm，钢管桩与 钢套筒之间填充灌浆料。在钢套筒的内壁与钢管 桩的外壁分别沿高度等距焊接 8 根沿桩与套筒轴 向布置的直径 20 mm的光圆钢筋作为抗剪键，以 提高节点的承载力。 图 6 较早批次的灌浆套筒连接节点构造图 Fig． 6 The diagram of prior designed grout sleeve connections 该节点设计要求轴向抗压承载力不小于 3 634 kN，并应能承受偏心距 0． 3 m 的 3 634 kN 的偏心压力。同济大学对于该种连接节点在轴心 受压荷载以及偏心受压荷载作用下的性能进行了 试验研究。由于试验条件所限以及节点设计过于 保守，试验中的各节点试件均未能加载至破坏， 因此只能对其极限承载力的下限进行估计。试验 表明，该种连接有着较高的极限承载力以及较小 的极限变形。其轴向极限抗压承载力以及偏心距 0． 3 m时的极限抗压承载力均可以达到设计值的 10 倍以上。而在试验的最大荷载作用下节点试 件的轴向变形也控制在2． 5 mm以下。 3． 2． 2 改进的灌浆套筒连接 对于某些受力较大的连接节点，研究设计人 员在之前的连接形式的基础上提出了改进的灌浆 套筒连接形式(图 7)。该种连接节点同样为有抗 剪键的灌浆套筒节点，不同的是在设置焊接钢筋 的基础上再布置一组连接钢板。节点区域高约 3． 8 m，下部钢管桩外径 1 200 mm，上部钢套筒 内径 1 500 mm，钢管桩与钢套筒之间填充灌浆 料。在钢套筒的内壁与钢管桩的外壁分别沿高度 等距焊接 12 根沿桩与套筒轴向布置的直径 20 mm的光圆钢筋作为抗剪键，以提高节点的承载 力。并且在节点顶部钢套筒内壁焊接一组倒 L 形的连接钢板，以进一步提高节点的承载力。 图 7 改进的灌浆套筒连接节点构造图 Fig． 7 The diagram of modified designed grout sleeve connections 该节点设计要求在偏心距 0． 4 m 的情况下， 可以承受至少 4 000 kN 的压力或者 2 000 kN 的 拉力。同济大学对于该种连接节点在偏心受拉与 偏心受压荷载的循环作用下的性能进行了试验研 究。由于试验条件所限以及节点设计过于保守， 试验中的各节点试件均未能加载至破坏，因此只 能对其极限承载力的下限进行估计。试验表明， 该种连接有着较高的极限承载力以及较小的极限 变形。偏心距 0． 4 m时，其极限抗压承载力可以 达到 34 488 kN 以上，极限抗拉承载力可以达到 15 435 kN以上，远大于其设计荷载。而在试验 中试件的最大轴向变形也控制在 4 mm以下。 试验还研究了在偏心荷载作用下该节点灌浆 料的应力应变分布，研究发现灌浆料的最大应力 ·251·Structural Engineers Vol． 27，No． 3 State of the Art 应变出现在节点底部荷载偏心一侧的灌浆料处。 试验中将节点试件分为两组，一组为不设置连接 钢板的试件，另一组为设置连接钢板的试件。虽 然由于未能加载到各试件的极限状态，无法得知 设置连接钢板的试件是否有更高的极限承载力， 但是试验结果还是表明在同样的荷载作用下设置 连接钢板的试件有着更小的变形。 3． 3 试验研究结果分析 试验研究发现设计过于保守，试验推算的节点 的极限承载力甚至可以达到设计承载力的 10倍以 上。这主要是因为现阶段国内对于灌浆套筒连接技 术的研究还不深入，缺乏成熟的实用设计方法。但 从试验结果中仍然可以看出灌浆套筒连接有着优异 的性能，并且给研究设计人员留下了广阔的研究创 新空间。值得注意的是，通常非预应力的灌浆套筒 节点的实际承载力要略低于试验推算的承载力，这 是因为在实际工程的水下施工时由于风浪水流的冲 击作用，可能会使灌浆料在终凝前与抗剪键之间产 生空隙。 4 结 论 灌浆套筒连接是一种性能优异、造价低廉、施工 方便的新型钢管结构连接方式，它可以弥补传统钢 结构连接方式在诸多方面与领域的不足，有着广阔 的应用前景和研究空间。目前主要应用于海上构、 建筑物承台与桩的连接，港口工程、地下工程中钢管 构件的连接，未来还可广泛地应用于各工业民用建 筑中钢管构件的连接、加固与改建。经过多年的发 展，灌浆套筒连接已经形成了许多种类的连接形式。 其中，有抗剪键的灌浆套筒连接技术简单，施工方 便，在我国有着广泛的应用;而化学预应力灌浆套 筒连接制作简单，施工方便，性能优异，国外已被 系统地研究和广泛地应用。从国内的情况来看，这 种连接技术应用快于研究;从国际形势来看，我国 的研究及应用水平也远远落后于其他海洋资源开发 大国。随着我国海洋开发需求的不断增大，相信灌 浆套筒连接的研究也将越来越快地发展。目前我们 在这一技术领域所需研究的内容还包括: (1)灌浆套筒连接中灌浆料在扭转、弯曲等荷 载作用下的应力应变分布及危险点位置; (2)灌浆套筒连接在恶劣环境下的耐久性; (3)灌浆料徐变对于节点性能的影响; (4)有抗剪键的灌浆套筒连接中抗剪键的优化 设计方向。 参考文献 ［1］ Elnashai A S，Carroll B C，Dowling P J，et al． Full scale testing and analysis of prestressed grouted pile platform connections［C］∥ Houston，USA:Proceedings of Offshore Technology Conference，1986:301-311． ［2］ Yamasaki T，Hara M，Takahashi C． Static and dynamic tests on cement grouted pipe to pipe connections［C］∥ Houston，USA:Proceedings of Offshore Technology Conference，1980:467-476． ［3］ Foo J，Grundy P． Performance of prestressed grouted tubular connections under dynamic loading［C］∥ Seoul，Korea:Proceedings of First Pacific Offshore 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