CN109610499A - 单桩基础、具有该单桩基础的海上风力发电机组及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单桩基础、具有该单桩基础的海上风力发电机组及其安装方法。该单桩基础包括：管桩，管桩包括由混凝土预制形成的多段子管桩，每段子管桩上形成有沿子管桩的长度方向延伸的多个预应力孔道；以及多个预应力件，每个预应力件包括：预应力主体、第一锚固件和第二锚固件，预应力主体依次穿过多段子管桩上的预应力孔道，预应力主体的两端分别通过第一锚固件和第二锚固件锚固，以将多段子管桩串联并且张拉成一个整体。本发明采用预制混凝土管桩，可以降低海上单桩基础的成本，并且有利于海上风力发电机组的运行，降低海上风力发电机组的故障率。

Description

单桩基础、具有该单桩基础的海上风力发电机组及其安装 方法

技术领域

本发明涉及海上风力发电技术领域，更具体地说，涉及一种单桩基础、具有该单桩基础的海上风力发电机组及其安装方法。

背景技术

海上风力发电机组包括机舱、塔架和单桩基础。其中，单桩基础的上端通过法兰盘与塔架的风机塔筒连接。单桩基础是应用于海上风电行业中的一种靠桩侧土压力传递风机荷载的桩基形式。在海上风电场中，单桩基础是指将一根大直径钢管桩安装在海床上的基础，其适用于浅水及中等水深且具有较好持力层的海域。目前，用于海上风力发电机组的单桩基础的直径为6～7m，并有向8m以上发展的趋势。单桩基础具有直径大、重量大的特点。

现有单桩基础通常采用的是钢管桩，具有直径大、重量大、成本高等特点。同时，由于机头震动和摆幅较大容易导致风电机组故障。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够降低成本和降低海上风力发电机组运行时由自身震动导致的海上风力发电机组故障率的单桩基础。

根据本发明的一方面提供了一种用于海上风力发电机组的单桩基础，该单桩基础包括：管桩，管桩包括由混凝土预制形成的多段子管桩，每段子管桩上形成有沿子管桩的长度方向延伸的多个预应力孔道；以及多个预应力件，每个预应力件包括：预应力主体、第一锚固件和第二锚固件，预应力主体依次穿过多段子管桩上的预应力孔道，预应力主体的两端分别通过第一锚固件和第二锚固件锚固，以将多段子管桩串联并且张拉成一个整体。

优选地，多段子管桩中沿管桩的高度方向位于最下方的第一段子管桩中的预应力孔道的下部端口可位于第一段子管桩的内侧壁上，并与第一段子管桩的下端间隔预定距离。

优选地，第一段子管桩的内侧壁上可形成有向内突出的突出部分，预应力孔道的下部端口形成在突出部分上，预应力孔道在第一段子管桩的设置有突出部分以上的部分沿第一段子管桩的长度方向延伸，预应力孔道在第一段子管桩的设置有突出部分处弯曲并在突出部分中向内倾斜延伸。

优选地，预应力孔道向内倾斜的角度可以为30～60°。

优选地，预应力主体的上端通过第一锚固件固定在多段子管桩中沿管桩的高度方向位于最上方的最后一段子管桩上，预应力主体的下端穿过对应的预应力孔道并通过第二锚固件固定在突出部分上。

优选地，管桩还可以包括：桩尖，桩尖为沿管桩的高度方向设置在多段子管桩中的位于最下方的第一段子管桩的下端的倒锥形结构。

优选地，管桩还可以包括定位组件，定位组件包括：多个定位孔，分别形成在多段子管桩中相邻的子管桩的彼此面对的端面上；多个定位销，分别***多个定位孔中。

优选地，多段子管桩中的每段子管桩可以沿周向被划分为多片。

优选地，预应力主体可以为由多根预应力钢绞线组成的预应力索。

本发明的另一方面提供一种海上风力发电机组，该海上风力发电机组包括如上所述的单桩基础。

本发明的再一方面提供一种用于海上风力发电机组的单桩基础的安装方法，该安装方法用于安装如上所述的单桩基础，该安装方法包括以下步骤：将由混凝土预制形成的多段子管桩沿着长度方向依次拼接，形成管桩，其中，多段子管桩中沿管桩的高度方向位于最下方的第一段子管桩***海床中；将多个预应力件的预应力主体分别***管桩的多个预应力孔道中，然后通过第一锚固件和第二锚固件分别固定预应力主体的两端，并对预应力主体施加预应力，以将多段子管桩串联并且张拉成一个整体。

优选地，安装方法还可以包括：在第一段子管桩的下部填充混凝土，以将多个预应力件与海床隔开。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：采用预制混凝土管桩，可以降低海上单桩基础的成本，并且有利于海上风力发电机组的运行，降低海上风力发电机组的故障率。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1是本发明示例性实施例的用于海上风力发电机组的单桩基础的立体示意图。

图2是图1中的第一段子管桩的示意图。

图3是图1中的单桩基础的管桩被去除一半后的示意图，其中，保留了管桩的被去除的部分的预应力件。

图4是图3中的A部分的放大图。

图5是图3中的B部分的放大图。

图6是图1中的单桩基础的管桩被去除一半后的示意图，其中，管桩的被去除的部分的预应力件也被去除。

图7是图6中的第一段子管桩的示意图；

图8是示出管帽与第一段子管桩的关系的示意图。

图9是图8中的C部分的放大图。

图10是图1中的桩尖的示意图。

附图标记说明：

110：第一段子管桩，111：第一段子管桩主体，111a：第一子管桩片，111b：第二子管桩片，112：预应力孔道，113：突出部分，120：第二段子管桩，121：第二段子管桩主体，122：预应力孔道，130：第三段子管桩，131：第三段子管桩主体，132：预应力孔道，140：桩尖，141：桩尖主体，142：栓钉，150：预应力件，151：预应力主体，152：第一锚固件，153：第二锚固件，160：海上维护平台，170：桩帽，171：桩帽主体，172：圆柱状凸起部。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的用于海上风力发电机组的单桩基础、具有该单桩基础的海上风力发电机组及其安装方法。

本发明的示例性实施例提供一种用于海上风力发电机组的单桩基础，该单桩基础包括：由混凝土预制形成的多段子管桩依次对接而成的管桩，每段子管桩上形成有多个沿子管桩长度方向延伸的预应力孔道，多个预应力件分别穿过对应的预应力孔道，并且每个预应力件的两端分别通过锚固件锚固，以将多段子管桩串联并且张拉成一个整体。

如图1至图10所示，根据本发明的实施例的用于海上风力发电机组的单桩基础可以包括管桩和预应力件150。

管桩由混凝土预制形成，可以在混凝土商混站或预制场进行生产。采用混凝土预应力管桩代替传统的钢管桩，可降低单台海上风力发电机组基础部分的成本。同时，针对由于机头震动和摆幅较大导致风电发电机组故障的问题，采用具有较大刚度和阻尼性能的预应力混凝土管桩，可有效降低震动导致的海上风力发电机组故障率。

由于预应力混凝土管桩较重，为了方便运输，可以将形成单桩基础的管桩分为多段，例如，至少两段。

在附图所示的示例中，管桩可包括多段子管桩110、120和130。为了方便描述，以下将以管桩包括沿其高度方向布置的第一段子管桩110、第二段子管桩120和第三段子管桩130为例进行描述。但本发明不限于此，可以根据陆上和海上运输设备运输时对于运输构件尺寸的要求，将管桩划分为两段或者三段以上子管桩以满足运输要求。例如，可以按照每段子管桩长度不超过10m来将管桩设置为更多段。

根据本发明的实施例，管桩呈中空的圆筒状，其横截面为环形，但本发明不限于此，还可以将管桩的横截面制成为非环形等其他形状的结构。可以根据载荷的需求选择管桩的尺寸。例如，在实施例中，管桩的直径不小于4m，壁厚不小于200mm。另外，可以根据需要将每段子管桩沿子管桩的周向进一步划分为多片子管桩片，从而可以分片运输，例如可以便于从预制管桩的预制场所运输到港口，并在海上运输之前将多片子管桩片拼接起来。在实施例中，将第一段子管桩110、第二段子管桩120和第三段子管桩130均划分成两片。如图2所示，第一段子管桩110可包括第一段子管桩主体111和预应力孔道112，其中，第一段子管桩主体111由第一子管桩片111a和第二子管桩片111b组成。

每段子管桩110、120和130可以包括子管桩主体111、121和131和沿周向布置在子管桩主体111、121和131上并沿子管桩110、120和130的长度方向延伸的多个预应力孔道112、122和132。如图2所示，在预制预应力管桩的生产过程中，在第一段子管桩主体111的横截面上预留有均布的多个预应力孔道112。同样地，如图5所示，在第二段子管桩主体121的横截面上预留有均布的多个预应力孔道122，在第三段子管桩主体131的横截面上预留有均布的多个预应力孔道132。第一段子管桩主体111的多个预应力孔道112、第二段子管桩主体121的多个预应力孔道122和第三段子管桩主体131的多个预应力孔道132彼此对应，并且当第一段子管桩110、第二段子管桩120和第三段子管桩130沿长度方向依次对接而拼装在一起后，预应力孔道112、预应力孔道122和预应力孔道132沿着长度方向对齐而形成一个供预应力件150的预应力主体151(将在下文中详细描述)穿过的通道，预应力主体151的两端分别从最上面的子管桩130和最下面的子管桩110的预应力孔道132、112的端口处穿出来。

在附图中，为了清楚地示出各个子管桩以及预应力孔道等结构，将多个子管桩110、120和130示出为相互隔开预定距离，但是，在将多个子管桩110、120和130相对对接的施工过程，各个子管桩110、120和130是上下依次对接的，即，上面的子管桩由下面的子管桩支撑，相面对的两段子管桩不会相互隔开。

如图3至图5所示，多个预应力件150中的每个预应力件150可包括预应力主体151以及用于固定预应力主体151的两端的第一锚固件152和第二锚固件153。多个预应力主体151分别穿过管桩上对应的预留预应力孔道112、122和132，并在两端分别通过第一锚固件152和第二锚固件153固定，从而将多段子管桩110、120和130串联在一起形成整体。

在实施例中，预应力主体151的上端通过第一锚固件152固定在管桩的上端，预应力主体151的下端穿过对应的预应力孔道112、122和132并通过第二锚固件153固定在管桩的下部。

在实施例中，多段子管桩110、120、130中沿管桩的高度方向位于最下方的第一段子管桩110中的预应力孔道112的下部端口位于第一段子管桩110的内侧壁上，并与第一段子管桩110的下端间隔预定距离，例如下部端口位于海床面以上。预应力主体151的下端穿过预应力孔道112的下部端口从第一段子管桩110的下部的内侧壁穿出。因此，预应力孔道112并没有延伸贯穿整个第一段子管桩110。换句话说，在第一段子管桩110的下部中，并没有形成预应力孔道112。因此，在第一段子管桩110的下端***海床中的情况下，预应力主体151和第一锚固件152可以不***海床中，从而可以防止预应力件150被腐蚀。例如，可以通过将第一段子管桩110内腔中的沙石淤泥清理后，填充一部分混凝土，在第一段子管桩100的下部形成混凝土层，从而将预应力件150与海床中的沙石淤泥隔绝开。

例如，如图3、图4、图6和图7所示，根据本发明的实施例，在第一段子管桩110的内壁上形成有向管桩轴线方向突出的突出部分113，预应力孔道112的下部端口形成在突出部分113上。预应力孔道112在第一段子管桩110的设置有突出部分113以上的部分沿第一段子管桩110的长度方向延伸，预应力孔道112在第一段子管桩110的设置有突出部分113处弯曲并在突出部分113中向内倾斜延伸。优选地，预应力孔道112的在突出部分113中的部分向内倾斜的角度为30～60°，即，在突出部分113处，预应力孔道112与第一段子管桩110的内侧壁之间的夹角为30～60°。预应力主体151的上端通过第一锚固件152固定在第三段子管桩130上，预应力主体151的下端穿过对应的预应力孔道112、122和132后从形成在突出部分113上的预应力孔道112的下部端口穿出，并通过第二锚固件153固定在突出部分113上。突出部分113与第一段子管桩110的下端相隔预定距离。

预应力主体151可以为施加有预应力的预应力杆、预应力锚索或预应力钢绞线，第一锚固件152和第二锚固件153可以为本领域中已知的能被用于固定预应力主体151任何锚固件。例如，在实施例中，预应力主体151为由多根预应力钢绞线组成的预应力索。另外，由于预应力件150应用于海上风力发电机组，因此，预应力件150应具有一定的防腐性质。例如，可以在预应力件150的表面涂抹油性蜡以防腐。

根据本发明的实施例，如图1、图3、图6和图8所示，管桩还可包括桩尖140。桩尖140沿管桩的高度方向设置在多段子管桩110、120和130中位于最下方的第一段子管桩110的下端。如图10所示，桩尖140包括呈倒锥形结构的桩尖主体141和形成在桩尖主体141上的多个栓钉142。将桩尖主体141设计成锥形形状，以便于将管桩***海床面以下的泥层内。栓钉142和桩尖主体141可以为钢制结构。多个栓钉142预制在桩尖主体141上。栓钉142可以起到将桩尖主体141与第一段子管桩110固定连接的作用。例如，第一段子管桩110的下端面上形成有供多个栓钉142***的栓钉孔，通过将栓钉142***在第一段子管桩110的下端而将桩尖140结合到第一段子管桩110上。或者，在预制预应力管桩的生产过程中，通过将栓钉142***在用于形成第一段子管桩110的型腔内而与第一段子管桩110浇筑为一体，从而将桩尖140与第一段子管桩110形成为一体结构。

根据本发明的实施例，为防止打桩时外力对预制混凝土管桩顶部的破坏，如图8和图9所示，可以采用可重复利用的桩帽170。桩帽170可以包括桩帽主体171和沿周向布置在桩帽主体171上的多个圆柱状凸起部172。由于桩帽170在打桩过程中直接受到敲击或锤击，因此桩帽主体171由不容易被破坏的钢质结构制成，以对锤击的过程中的冲击力起到缓冲作用，但本发明不限于此，由于桩帽170是在锤击过程中的临时构件，可以被更换，所以桩帽170还可以由混凝土制成，只要其可以起到避免子管桩顶部受直接锤击的作用即可。多个圆柱状凸起部172与多个预应力孔道112、122和132一一对应地设置并且能够***对应的预应力孔道112、122或132中。圆柱状凸起部172主要在打桩过程中起到临时固定作用，防止桩帽主体171跑偏。但本发明不限于此，还可以将圆柱状凸起部172制成其它合适的形状，只要其能***预应力孔道并在打桩过程中确保桩帽主体171不偏移即可。

根据本发明的实施例，管桩还可以包括定位组件(未示出)。在多段子管桩110、120和130的对接过程中，通过定位组件来辅助定位相邻的两个子管桩的位置，因此，可更好地保证第一段子管桩110、第二段子管桩120和第三段子管桩130的上下对准。在实施例中，定位组件可以包括：多个定位孔(未示出)，分别形成在多段子管桩110、120和130中相邻的子管桩的彼此面对的端面上；多个定位销(未示出)，分别***多个定位孔中。但本发明不限于此，还可以采用现有技术中其它能够实现上述辅助对准功能的定位组件。

根据本发明的实施例，在位于最上部的第三段子管桩130上部安装有海上维护平台160，以便于作业人员进行张拉作业等操作。

下面，参照图1和图8将描述用于海上风力发电机组的单桩基础的安装方法。为了方便描述，以下将以管桩被分成三段子管桩110、120和130为例进行描述。其中，在预制管桩的生产阶段，第一段子管桩110、第二段子管桩120和第三段子管桩130的横截面上分别预留有均布的多个预应力孔道112、122和132，桩尖140以预埋的形式与第一段子管桩110浇注形成一体。应当理解的是，当管桩沿其高度方向被划分成两段或三段以上的子管桩时，以下描述的将第一段子管桩110、第二段子管桩120和第三段子管桩130安装在一起的方法也适用于将所述两段或三段以上的子管桩安装在一起。

根据本发明的实施例，如图8所示，将管桩运输到海上机位点之后，首先将第一段子管桩110就位，在第一段子管桩110的顶部安装桩帽170，桩帽170通过多个圆柱凸起部172分别***第一段子管桩110的多个预应力孔道112中从而固定在第一段子管桩110上。通过打桩船进行打桩，敲击桩帽170，以使第一段子管桩110***海床中。待第一段子管桩110被打入海床的一定深度后，清除第一段子管桩110的已埋入海床部分的内腔中和预应力孔道112中的砂石。将桩帽170从第一段子管桩110上拆除。

然后，将第二段子管桩120通过定位组件放置在第一段子管桩110上方，第二段子管桩120的多个预应力孔道122与第一段子管桩110的多个预应力孔道112相对应。例如，先将定位销***第一段子管桩110的定位孔中，然后第二段子管桩120通过对准定位销，以使定位销***第二段子管桩120的与第一段子管桩110的定位孔对应的定位孔中，从而确保第二段子管桩120和第一段子管桩110的对准。然后，将桩帽170安装在第二段子管桩120的顶部，继续打桩，敲击桩帽170，完成第二段子管桩120的安装。清除第二段子管桩120的内腔中和预应力孔道122中的砂石。将桩帽170从第二段子管桩120上拆除。

重复以上步骤，直至将多段子管桩110、120、130中所有的子管桩安装完成。在本实施例中，即完成第一段子管桩110、第二段子管桩120和第三段子管桩130的拼装。并且，在打桩工作结束后，清除管桩内腔及预应力孔道112、122和132中沙石淤泥，确保管桩的预应力孔道112、122和132畅通。

在第三段子管桩130处安装海上维护平台160。

将多个预应力主体151分别穿过多段子管桩110、120、130中上对应的预应力孔道112、122和132，然后通过第一锚固件152和第二锚固件153分别固定预应力主体51的两端。以预应力主体151为由多根预应力钢绞线组成的预应力索为例，先对预应力钢绞线涂抹油性蜡以做好防腐处理，然后再进行穿索。穿索的具体操作为：将预应力索从第一段子管桩110的预应力孔道112穿入，并依次穿过第一段子管桩110的预应力孔道112、第二段子管桩120的与预应力孔道112对应的预应力孔道122和第三段子管桩130的与预应力孔道122对应的预应力孔道132之后，从第三段子管桩132的预应力孔道132穿出。这里，采用将预应力主体151从管桩的下部往上穿索的操作，但本发明不限于此，还可以采用将预应力主体151从管桩的上部往下穿索的操作，即将预应力索从第三段子管桩130的预应力孔道132穿入，并依次穿过第二段子管桩120的预应力孔道122和第一段子管桩110的预应力孔道112之后，从第一段子管桩110的预应力孔道112的位于突出部分113上的下部端口穿出。其中，预应力主体151的位于第三段子管桩130处的上端和位于第一段子管桩110处的下端预留出张拉长度。然后通过第一锚固件152和第二锚固件153分别固定预应力主体151的两端。

向预应力主体151的位于第三段子管桩130处的上端施加预应力，以将多段子管桩110、120、130张拉成一个整体的管桩。

根据本发明，将管桩沿其高度方向划分为多段，便于陆地上和海上的运输；管桩采用混凝土预制而成，具有多方面的有益效果：

1)混凝土材料比钢构件的抗腐蚀性能好；2)混凝土材料的单价低于钢材，因此降低了管桩的制造成本；3)混凝土材料被广泛应用，且制作预制混凝土管桩的设备较为简单，便于转移，而较大尺寸钢管桩的生产设备要求较高；4)预制混凝土单桩整体刚度高于钢管桩，且对于海上风力发电机组运行时，提供较大的阻尼效果，降低海上风力发电机组自身的震动。即，采用预制混凝土的管桩可以提高海上风力发电机组整体刚度，降低机头运行时的振动幅度，有效降低海上风力发电机组运行时自身震动导致的故障问题。

虽然已经参照上述实施例具体示出和描述了此公开，但是本领域普通技术人员将理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的公开的精神和范围的情况下，可以在其中做出形式和细节上的各种改变。

Claims (12)

1.一种用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述单桩基础包括：

管桩，所述管桩包括由混凝土预制形成的多段子管桩(110、120、130)，每段子管桩(110、120、130)上形成有沿所述子管桩(110、120、130)的长度方向延伸的多个预应力孔道(112、122、132)；以及

多个预应力件(150)，每个预应力件(150)包括：预应力主体(151)、第一锚固件(152)和第二锚固件(153)，所述预应力主体(151)依次穿过所述多段子管桩(110、120、130)上的预应力孔道(112、122、132)，所述预应力主体(151)的两端分别通过所述第一锚固件(152)和第二锚固件(153)锚固，以将所述多段子管桩(110、120、130)串联并且张拉成一个整体。

2.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述多段子管桩(110、120、130)中沿所述管桩的高度方向位于最下方的第一段子管桩(110)中的预应力孔道(112)的下部端口位于所述第一段子管桩(110)的内侧壁上，并与所述第一段子管桩(110)的下端间隔预定距离。

3.根据权利要求2所述的用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述第一段子管桩(110)的内侧壁上形成有向内突出的突出部分(113)，所述预应力孔道(112)的所述下部端口形成在所述突出部分(113)上，所述预应力孔道(112)在所述第一段子管桩(110)的设置有所述突出部分(113)以上的部分沿所述第一段子管桩(110)的长度方向延伸，所述预应力孔道(112)在所述第一段子管桩(110)的设置有所述突出部分(113)处弯曲并在所述突出部分(113)中向内倾斜延伸。

4.根据权利要求3所述的用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述预应力孔道(112)向内倾斜的角度为30～60°。

5.根据权利要求3所述的用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述预应力主体(151)的上端通过所述第一锚固件(152)固定在所述多段子管桩(110、120、130)中沿所述管桩的高度方向位于最上方的最后一段子管桩(130)上，所述预应力主体(151)的下端穿过对应的预应力孔道(112、122、132)并通过所述第二锚固件(153)固定在所述突出部分(113)上。

6.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述管桩还包括：

桩尖(140)，所述桩尖(140)为沿所述管桩的高度方向设置在所述多段子管桩(110、120、130)中的位于最下方的第一段子管桩(110)的下端的倒锥形结构。

7.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述管桩还包括定位组件，所述定位组件包括：

多个定位孔，分别形成在所述多段子管桩(110、120、130)中相邻的子管桩的彼此面对的端面上；

多个定位销，分别***所述多个定位孔中。

8.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述多段子管桩(110、120、130)中的每段所述子管桩(110、120、130)沿周向被划分为多片。

9.根据权利要求1所述的用于海上风力发电机组的单桩基础，其特征在于，所述预应力主体(151)为由多根预应力钢绞线组成的预应力索。

10.一种海上风力发电机组，其特征在于，所述海上风力发电机组包括如权利要求1至9中任意一项所述的单桩基础。

11.一种用于海上风力发电机组的单桩基础的安装方法，其特征在于，所述安装方法用于安装如权利要求1至9中任意一项所述的单桩基础，所述安装方法包括以下步骤：

将由混凝土预制形成的多段子管桩(110、120、130)沿着长度方向依次拼接，形成管桩，其中，所述多段子管桩(110、120、130)中位于沿所述管桩的高度方向位于最下方的第一段子管桩(110)***海床中；

将多个预应力件(150)的预应力主体(151)分别***所述管桩的多个预应力孔道(112、122、132)中，然后通过第一锚固件(152)和第二锚固件(153)分别固定所述预应力主体(151)的两端，并对所述预应力主体(151)施加预应力，以将所述多段子管桩(110、120、130)串联并且张拉成一个整体。

12.根据权利要求11所述的用于海上风力发电机组的单桩基础的安装方法，其特征在于，所述安装方法还包括：

在所述第一段子管桩(110)的下部填充混凝土，以将所述多个预应力件(150)与海床隔开。