CN111456075A - 一种桩筒复合桁架式海上风机基础及其施工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩筒复合桁架式海上风机基础：包括桁架式结构、吸力筒和桩基，吸力筒与桁架式结构的底部相连接，吸力筒上设有安装桩基的嵌入套筒。本发明上述海上风机基础的施工工艺：将桁架式结构、与桁架式结构的底部相连接的吸力筒吊放至海底，接触海床后贯入海床至嵌入套筒的底端没入泥土，吸力筒内形成封闭空间；对吸力筒进行抽水作业，使吸力筒下沉至指定标高，关停吸力泵，并通过盖板或者灌浆措施密封泵接口，完成吸力筒的安装；吸力筒安装完成后，将桩基***嵌入套筒，沉桩完成后在桩基和嵌入套筒间隙灌浆。该海上风机基础的结构及其施工方法使其具有更高的稳定性和承载能力，更能抵御台风等极限载荷，且海床适应性强。

Description

一种桩筒复合桁架式海上风机基础及其施工工艺

技术领域

本发明涉及海上风电工程领域，特别涉及一种桩筒复合桁架式海上风机基础及其施工工艺。

背景技术

海上风电作为一种可再生能源近年来得到了世界各国的大力研究和推广。负压筒(吸力筒)形是一种大直径圆柱形薄壁结构，负压筒作为一种锚泊形式和基础形式，已被大量应用于海洋结构系泊***、海洋基础平台及海洋风机基础上，具有装配简便、施工效率高、成本较低等优势。

如公开号为CN109914460A的中国专利文献公开了一种适用于浅海的新型吸力筒式组合结构风电基础，涉及风力发电技术领域。该体系包括中央桩、吸力筒，筒壁、顶盖、分仓板、钢加劲肋、塔筒连接段和栓钉。所述的吸力筒由筒壁和顶盖围合而成，并在筒内设置三块分仓板形成吸力筒空腔。筒壁、顶盖和分仓板均采用双层钢板混凝土，钢板与混凝土接触一侧焊接栓钉以加强连接。中央桩采用实心钢管混凝土或空钢管，桩顶、桩侧分别与顶盖、分仓板连接牢靠。顶盖上部设置塔筒连接段，并沿环向布置钢加劲肋，钢加劲肋与顶盖和塔筒连接段紧密连接。如公开号为CN109853609A的中国专利文献公开了一种海上风电组合基础。该海上风电组合基础，包括导管架、钢管桩、吸力筒和钢缆索。本实用新型的海上风电组合基础由导管架、钢管桩、吸力筒和钢缆索构成，导管架和吸力筒通过加强结构连接，增大组合基础的侧向刚度，导管架承受竖向荷载，导管架承受的风机水平荷载和波流力通过加强结构传递给吸力筒共同承担，由于吸力筒分散嵌入表层土里，与表层土基础接触面积大，可以充分发挥地表土的抗水平力，提高基桩的水平承载性能，改善基础抗倾覆能力，减小导管架主腿承受的拉拔力，从而可以减小导管架主腿距离和杆件截面，降低基础成本和施工难度。吸力筒可采用负压下沉，施工难度小。后打桩位于吸力筒中心，打桩时结构土体稳定性较好。

海上风电领域，一般采用三个甚至更多个吸力筒连接到桁架式钢架上，形成吸力筒式桁架风机基础。该基础受安装海域的海床地质条件限制，适合安装在地质构造相对稳定的地区，安装过程必须保证多个筒同时下沉，且吸力筒基础在下沉过程中需要控制吸力筒下沉到设计深度，在下沉过程中需精确控制结构垂直度以及整体上部结构的水平度。且随着水深的增加，筒内容易形成土塞***甚至屈曲，导致吸力筒不能同时完全下沉到设计深度，并且很难保证结构水平度，这也是当前吸力筒桁架式基础在使用过程中的难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桩筒复合桁架式海上风机基础及其施工工艺，可以保证海上风机基础的结构具有更高的稳定性和承载能力，更能抵御台风等极限载荷，且海床适应性强。

本发明提供如下技术方案：

一种桩筒复合桁架式海上风机基础，所述桩筒复合桁架式海上风机基础包括桁架式结构、吸力筒和桩基，所述吸力筒与桁架式结构的底部相连接，所述吸力筒上设有安装桩基的嵌入套筒。

在本发明提供的桩筒复合桁架式海上风机基础中：所述嵌入套筒位于吸力筒的筒内、筒边缘或筒外。另外，吸力筒上可以设有多个嵌入套筒。所述嵌入套筒的两端开口，嵌入套筒的位置、长度、筒径根据实际情况确定。套筒嵌入位置应考虑结构整体强度，并方便吸力筒等的安装为宜，一般应尽量远离桩腿的位置，套筒向下伸出长度从保证吸力筒密封性的角度考虑，下端通常高于吸力筒下端。套筒上端长度应方便桩锤进行打桩施工。

所述桁架式结构包括用于承载风机及塔筒的导管架结构，所述导管架包括多个导管架腿，所述导管架腿与吸力筒一一对应，所述导管架腿通过加强构件连接至吸力筒的顶端。

其中，所述多个导管架腿是指导管架结构的底部连接形式为三根腿、四桩腿或者多桩更多腿型式。即，所述导管架腿的数量至少为三个。加强构件通常使用钢板、H型钢、T型钢制作的加强筋。

优选的，在本发明提供的桩筒复合桁架式海上风机基础中：(1)所述吸力筒的偏心位置设有安装桩基的嵌入套筒，所述导管架腿连接至吸力筒的中心位置，即，桩基位于吸力筒的偏心位置；该设置的优点：便于施工；缺点：桩基偏心导致基础受力不均，桩基与吸力筒连接处应力偏大。(2)所述吸力筒的中心位置设有安装桩基的嵌入套筒，所述导管架腿连接至吸力筒的偏心位置，上述设置可以优化桩筒复合桁架式海上风机基础的承载性能。(3)桩基和导管架腿的位置均不居中，根据实际方案要求，通过计算与分析，选取导管架腿、嵌入套筒(插桩)的实际位置。

优选的，所述嵌入套筒和桩基之间设有固化后的灌浆层。所述桩基可以为钢桩或其它适当材质及型式的桩基。通过灌浆层可以加强嵌入套筒和桩基的连接固定。

优选的，所述吸力筒内设有用于支撑吸力筒及吸力筒与嵌入套筒连接的加强构件。加强构件通常使用钢板、H型钢、T型钢制作的加强筋。

所述吸力筒的顶端设有泵接口，用于连接吸力泵或吸力管线。泵接口的设计可以参照一般吸力筒结构的设计，并从保证筒身整体强度、方便吸力筒抽水作业等角度确定接口位置。

在本发明提供的桩筒复合桁架式海上风机基础中，通过在吸力筒设有安装桩基的嵌入套筒，可以提高吸力筒的承载力及基础刚度，优化了吸力筒抗长期变形的性能及自振频率。

优选的，所述桩筒复合桁架式海上风机基础包括与嵌入套筒的顶部活动连接的密封盖。所述密封盖上设有开口和阀门。

在本发明提供的桩筒复合桁架式海上风机基础中：通过在嵌入套筒的顶部设有一个密封盖，可在抽水下沉过程中保持桶体内部空间的密闭；桶密封盖上可设有开口和阀门，可在密封盖关闭的情况下，控制桶体的密封性。

优选的，嵌入套筒与密封盖之间可用螺栓连接部件，并施加预紧力以保证密封性，实际实施中也可采用卡扣、液压装置等任何连接方式来固定密封盖。密封盖上部设有吊耳，用于在吸力筒下沉完成后，将密封盖吊走。工程实施中也可在其它允许的部位设置吊耳或连接装置，用于将密封盖取下。密封盖也可通过转轴固定在嵌入套筒的顶部，在吸力筒贯入完成后掀开，而不必吊离。

本发明提供了一种上述桩筒复合桁架式海上风机基础的施工工艺，所述施工工艺包括以下步骤：

(1)使嵌入套筒顶部的密封盖或密封盖上的阀门处于打开状态，将桁架式结构、与桁架式结构的底部相连接的吸力筒吊放至海底，接触海床后在重力作用下贯入海床，随后关闭嵌入套筒顶部的密封盖或密封盖上的阀门，吸力筒内形成封闭空间；

(2)通过吸力泵或吸力管线对吸力筒进行抽水作业，使吸力筒下沉至指定标高，到达指定标高后，关停吸力泵，并通过盖板或者灌浆措施密封泵接口，完成吸力筒的安装；

(3)吸力筒安装完成后，打开套筒顶部密封盖，将桩基***嵌入套筒，沉桩完成后在桩基和嵌入套筒间隙灌浆。

在步骤(2)中，可以采用水下吸力泵，与泵接口连接后进行抽水作业，可根据实际情况，于每个吸力筒的顶端安置一个或者多个吸力泵，并采用集中控制***控制吸力泵的压力以保证多个吸力筒的筒体均匀下沉。也可以采用水上吸力***将吸力管线连接到每个吸力筒顶端的泵接口6进行操作使筒体下沉至指定标高。

在步骤(2)中，通过吸力泵或吸力管线对吸力泵进行抽水作业后吸力筒未下沉至指定标高或不满足结构水平要求时，使用打桩锤敲打嵌入套筒完成下沉和调平操作。

在步骤(3)中，通过在桩基和嵌入套筒间隙灌浆，可以保证桩基和嵌入套筒之间的连接强度。桩基的设置也可以增加整个海上风机基础的承载力。

本发明提供的桩筒复合桁架式海上风机基础，在使用过程期间，主要利用吸力筒的外侧、嵌入套筒的外侧、钢桩的外侧和土体的摩擦力以及吸力筒内外的压差抵抗结构所承受的外部载荷。本发明提供的海上风机基础和施工工艺，能有效保证吸力筒按照设计深度下沉到海底；一旦地质较强或者不透水层的存在，导致通过自重及负压不能施工至设计深度，可以借助嵌入套管，通过施工锤的外力作用于嵌入套管结构上，将整体结构施工至设计深度；为了提升结构的承载力和长期稳定性，可以在嵌入套管内部再***桩基，通过灌浆连接桩基和嵌入套管。本发明提供的桩筒复合桁架式海上风机基础可以保证基础结构具有更高的稳定性和承载能力，更能抵御台风等极限载荷，且海床适应性强，安装简便、成本低，可重复利用等优势，具有广阔的应用前景。

与传统吸力筒基础和桩基基础结构相比，本发明提供的桩筒复合桁架式海上风机基础具有以下优点：

1)海床适应性强：既可用于沙土地质，也可用于沙土、黏土多层地质，也施工与软土覆盖层较厚，承载力较弱的地质；

2)基础可靠性高：结合了传统钢桩和新型吸力筒基础的优点，将桩基布置在吸力筒中心，通过灌浆连接，提供足够的承载力；

3)施工便捷：通过桁架结构自身坐立海底，不需要辅助平台或者辅助结构稳定桁架基础。

附图说明

图1为实施例1提供的桩筒复合桁架式海上风机基础的结构示意图；

图2为实施例1提供的吸力筒和桩基的结构示意图；

图3为实施例1提供的吸力筒和桩基的俯视示意图；

图4为实施例2提供的桩筒复合桁架式海上风机基础的结构示意图；

图5为实施例1提供的吸力筒的剖面图；

图6为实施例2中密封盖的局部图；

图7为实施例2中密封盖的局部细节图；

图8为实施例2中吸力桶贯入阶段的整体模型示意图；

图9为实施例2中吸力桶贯入阶段的局部模型示意图；

图10为实施例2中吸力桶贯入完成后打开密封盖的结构示意图；

图11实施例2中打桩阶段的剖面图；

图12为打桩完成后的在嵌入套筒和桩基之间的缝隙灌浆的结构示意图；

图13为实施例提供的桩筒复合桁架式海上风机基础的施工工艺的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供的桩筒复合桁架式海上风电基础的结构如图1-3所示，由两大部分构成，上部的桁架式结构1、下部的吸力筒2与桩基4的组合部分。

桁架式结构1包括：任何可用于承载风机及塔筒的导管架结构。在本实施例中，导管架的底部连接形式为三个导管架腿。

吸力筒2与桩基4的组合部分包括：下部开口的圆柱形薄壁吸力筒2，吸力筒2的顶端和导管架腿通过加强构件7连接。吸力筒2内设有安装桩基4的嵌入套筒3，嵌入套筒3与吸力筒2通过加强构件连接，嵌入套筒3的两端开口，嵌入套筒3的位置、长度、筒径根据实际情况确定。桩基4可通过嵌入套筒3打入海底，以增加基础结构的承载力，桩基4与嵌入套筒3通过灌浆层5连接。吸力筒3的顶端设有泵接口6，用于连接水下吸力泵。

实施例2

如图4至图7所示，本实施例提供的桩筒复合桁架式海上风电基础与实施例1不同之处在于：还包括与嵌入套筒的顶部活动连接的密封盖12，密封盖12与嵌入套筒3设有一系列密封圈与密封环9，用于保证密封性；密封盖12与嵌入套筒3之间可用螺栓连接部件11，并施加预紧力以保证密封性，实际实施中也可采用卡扣、液压装置等任何连接方式来固定密封盖；密封盖上部设有吊耳10，用于在吸力筒下沉完成后，将密封盖吊走；嵌入套筒3与吸力筒2通过加强构件连接。

如图13所示(吸力筒又称之为负压筒)，本实施例提供的桩筒复合桁架式海上风机基础的施工工艺分为吸力筒贯入阶段与打桩阶段，吸力筒贯入阶段的施工方法与传统吸力筒基础的施工方法相似，而打桩阶段的施工方法则与后打桩式基础的施工方法类似。

如图8和图9所示，吸力筒贯入阶段：

1.将吸力筒基础(桩筒复合桁架式海上风机基础/海上风机基础)运至机位后，可通过海上自升式施工平台进行吸力筒基础的安装施工，嵌入套筒顶部密封盖此时处于闭合状态，以保证吸力筒内部空间的密封。

2.为每个吸力筒安装吸力泵，然后将海上风机基础起吊离开驳船，下放到海上指定位置，此时，嵌入套筒顶部的密封盖处于敞开状态，以保证海上风电基础靠自重下沉时吸力筒内水的排出。或者，可使密封盖保持密闭，并在密封盖顶部设置开口和阀门，在抽水下沉之前保持开口打开，桶内水可通过开口流出；

3.吸力筒基础放入海底后，使海上风机基础在结构自重作用下自然下沉，下沉过程中需要随时监测各吸力筒的下沉速度。

4.检查电气设备正常后，紧闭密封盖，若密封盖上有设有开口，则关闭开口阀门，随后打开吸力泵。在吸力筒缓慢下降过程中实时监测各筒的水平度，以保证各筒体底部受力均匀。

5.海上风机基础通过吸力泵作用下降至指定深度后，移除吸力泵，断开管线。至此吸力筒贯入过程结束。需要注意的是，抽水贯入过程中应始终封闭嵌入套筒上端密封盖以及开口阀门，保证抽水贯入的压力。

如图10-12所示，打桩施工阶段：

6.吸力筒贯入至设计深度后，将套筒顶部密封盖打开并移除，随后将钢管桩***套筒，使用打桩锤进行打桩作业，将桩打至设计深度。

7.打桩完成后，可对吸力筒内空间及桩和套筒之间的间隙进行灌浆，以加强结构强度及结构间的连接强度，若结构强度及桩、筒间通过其他方法连接，也可以不用灌浆。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种桩筒复合桁架式海上风机基础，其特征在于，所述桩筒复合桁架式海上风机基础包括桁架式结构、吸力筒和桩基，所述吸力筒与桁架式结构的底部相连接，所述吸力筒上设有安装桩基的嵌入套筒。

2.根据权利要求1所述的桩筒复合桁架式海上风机基础，其特征在于，所述桁架式结构包括用于承载风机及塔筒的导管架结构，所述导管架包括多个导管架腿，所述导管架腿与吸力筒一一对应，所述导管架腿通过加强构件连接至吸力筒的顶端。

3.根据权利要求2所述的桩筒复合桁架式海上风机基础，其特征在于，所述吸力筒的偏心位置设有安装桩基的嵌入套筒，所述导管架腿连接至吸力筒的中心位置；或所述吸力筒的中心位置设有安装桩基的嵌入套筒，所述导管架腿连接至吸力筒的偏心位置。

4.根据权利要求1所述的桩筒复合桁架式海上风机基础，其特征在于，所述嵌入套筒和桩基之间设有固化后的灌浆层。

5.根据权利要求1所述的桩筒复合桁架式海上风机基础，其特征在于，所述吸力筒内设有用于支撑吸力筒及吸力筒与嵌入套筒连接的加强构件。

6.根据权利要求1所述的桩筒复合桁架式海上风机基础，其特征在于，所述吸力筒的顶端设有泵接口，用于连接吸力泵或吸力管线。

7.根据权利要求1所述的桩筒复合桁架式海上风机基础，其特征在于，所述桩筒复合桁架式海上风机基础包括与嵌入套筒的顶部活动连接的密封盖。

8.根据权利要求7所述的桩筒复合桁架式海上风机基础，其特征在于，所述密封盖上设有开口和阀门。

9.一种权利要求1-8任一所述的桩筒复合桁架式海上风机基础的施工工艺，其特征在于，所述施工工艺包括以下步骤：

(1)使嵌入套筒顶部的密封盖或密封盖上的阀门处于打开状态，将桁架式结构、与桁架式结构的底部相连接的吸力筒吊放至海底，接触海床后在重力作用下贯入海床，随后关闭嵌入套筒顶部的密封盖或密封盖上的阀门，吸力筒内形成封闭空间；

(2)通过吸力泵或吸力管线对吸力筒进行抽水作业，使吸力筒下沉至指定标高，到达指定标高后，关停吸力泵，并通过盖板或者灌浆措施密封泵接口，完成吸力筒的安装；

(3)吸力筒安装完成后，打开套筒顶部密封盖，将桩基***嵌入套筒，沉桩完成后在桩基和嵌入套筒间隙灌浆。

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