CN112030954A - 一种海上风电大直径钢管桩 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电大直径钢管桩，包括钢管桩桩身和吊耳；所述钢管桩桩身由多段钢管桩管节对接焊接而成；所述吊耳固定在钢管桩桩身的上半部分的外壁面上；在所述钢管桩桩身的桩顶以下第二段钢管桩管节的中部沿桩周壁面上均布地开设若干个通气孔，且若干个通气孔均与钢管桩桩身上的附属构件错开。本发明的海上风电大直径钢管桩，通过开设通气孔，能及时排出桩内的气体，可有效降低桩内的压缩气体对液压锤的顶冲力，消除“溜桩”时液压锤与钢管桩脱离，避免造成大型施工船舶以及大型液压锤的损坏。

Description

一种海上风电大直径钢管桩

技术领域

本发明涉及一种海上风电大直径钢管桩。

背景技术

近年来海上风电发展迅速，单桩基础是目前应用最为广泛的基础形式。随着海上风机大型化，单桩基础的直径越来越大，重量越来越大，单桩基础施工难度也越来越大。海上风电施工水下地质条件复杂，部分海域存在软弱土质夹层，地基土液化严重，大直径钢管桩沉桩“溜桩”风险高。根据近年来海上风电场的沉桩施工情况统计，江苏近海海域大直径钢管桩“溜桩”现象较频繁，且存在“溜桩”距离长达40m的长距离的现象。海上风电场大直径单桩沉桩通常采用大型起重船吊挂大型液压锤沉桩施工工艺，“溜桩”现象一方面可能造成单桩基础倾斜，桩身垂直度超出设计的3‰的要求，造成质量问题；另一方面“溜桩”过程中如没有提前做好预防措施，极有可能造成起重船及液压锤损毁，更严重者造成人员伤亡，危害性极大。通过要因分析，确定“溜桩”过程中桩内的气体短时间急剧压缩将液压锤顶起，造成桩、锤脱离是可能造成险情的主要因素。

目前海上风电大直径钢管桩一般采用无过渡段单桩基础1(见图1)，钢管桩桩身11包括若干段钢管桩管节110，各管节110分别卷制后，进行对接焊接形成桩身11，再将吊耳12等构件与桩身11焊接。传统钢管桩的桩身完整无开孔，施工工艺主要流程为：单桩制作及海上运输；单桩沉桩；桩内吸水、撒石灰；集成式附属构件安装；防冲刷施工。

传统的海上风电大直径钢管桩存在以下缺点：

1)在钢管桩沉桩“溜桩”情形下，桩内的气体短时间急剧压缩会将液压锤顶起，使钢管桩与液压锤分离，可能造成大型船机以及设备的损坏；

2)钢管桩沉桩后会形成密闭环境，桩内的海生物尸体腐败产生的有毒有害气体与大气不连通，可能对风机内的设备及进入风机内的作业人员造成伤害；

3)钢管桩沉桩后，还需要进行吸水和撒石灰的施工流程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种海上风电大直径钢管桩，它能及时排出桩内的气体，可有效降低桩内的压缩气体对液压锤的顶冲力，解决了液压锤脱离钢管桩可能造成大型船机、设备损坏的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种海上风电大直径钢管桩，包括钢管桩桩身和吊耳；所述钢管桩桩身由多段钢管桩管节对接焊接而成；所述吊耳固定在钢管桩桩身的上半部分的外壁面上，其中，

在所述钢管桩桩身的桩顶以下第二段钢管桩管节的中部沿桩周壁面上均布地开设若干个通气孔，且若干个通气孔均与钢管桩桩身上的附属构件错开。

上述的海上风电大直径钢管桩，其中，所述通气孔为椭圆形，且通气孔的长直径a与钢管桩桩身的中心轴平行，通气孔的短直径b与钢管桩桩身的中心轴垂直。

上述的海上风电大直径钢管桩，其中，所述通气孔的长直径a和短直径b是按以下步骤计算得到:

步骤一，计算在不开通气孔的情况下，假设钢管桩沉桩时发生溜桩，液压锤刚好能被顶起时桩内的气体压强P

根据压强的计算公式:

式(1)中：P为压强，单位：Pa；F为压力，单位：N；S为受力面积，即为钢管桩的截面面积S₁，单位:m²；

此时，压力F等于打桩锤的重力，即：

F＝M×g (2)

式(2)中：M为液压锤的重量，单位：Kg；g为重力加速度，取9.8N/kg；

故式(1)变为：

步骤二，计算钢管桩的溜桩高度h₂

根据波义耳定律,在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比,计算公式为：

P₁×V₁＝P₂×V₂ (4)

式(4)中：P₁为大气压强，通常1个标准大气压＝0.1MPa＝1.01×105N/m²；V₁为未被压缩时桩内气体的体积，单位：m³；P₂为压缩后桩内气体的压强，P₂＝P，单位：Pa；V₂为压缩后桩内气体的体积，单位：m³；

代入式(4)得：

P₁×S₁×(L-h₁)＝P₂×S₁(L-h₁-h₂) (5)

式(5)中：L为钢管桩的总长度，单位:m；h₁为钢管桩的入水高度，单位:m；h₂为钢管桩的溜桩高度，单位:m；

通过式(5)可得：

步骤三，计算P₂状态下的空气流速V，单位：m/s

根据伯努利原理，气体流动过程中，伯努利方程可简化为：

P₂＝0.5ρV² (7)

式(7)中：ρ为空气密度，取1.29kg/m³；

由式(7)可得：

步骤四，计算钢管桩桩身上开设的每个通气孔的面积S₂

根据从A个通气孔中排出的气体体积与被压缩的气体体积相等的原则可得：

S₁×h₂＝A×S₂×V×t (9)

由式(9)可得：

将式(6)计算得到的h₂和式(8)计算得到的V代入式(10)可得：

式(11)中：t为钢管桩的溜桩时长，取30s；

步骤五，根据计算出的通气孔的面积S₂，设定一个通气孔的长直径a和短直径b

从常规的椭圆形通气孔的面积计算公式：

中设定长直径a和短直径b。

本发明的海上风电大直径钢管桩具有以下特点：

1)解决海上风电大直径钢管桩沉桩“溜桩”情形下，可能造成大型船机、设备损坏的问题，通过及时排出桩内的气体，可有效降低桩内的压缩气体对液压锤的顶冲力；

2)解决传统钢管桩施工后形成密闭环境，由桩内的海生物尸体腐败产生的有毒有害气体与大气不连通的问题，规避密闭空间的风险管理；

3)减少了沉桩完成后需要桩内吸水及撒石灰的施工工序，可缩短单桩沉桩施工时间，降低施工成本。

附图说明

图1是传统的海上风电大直径钢管桩的结构示意图；

图2是本发明的海上风电大直径钢管桩的结构示意图；

图3是本发明的海上风电大直径钢管桩中第二段钢管桩管节的结构示意图；

图4是本发明的海上风电大直径钢管桩中第二段钢管桩管节上开设的两个通气孔的相对位置示意图；

图5是在计算通气孔的尺寸时的钢管桩上的参数示意图；

图6是本发明的海上风电大直径钢管桩在沉桩时通气孔排气的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图5，本发明的海上风电大直径钢管桩，包括钢管桩桩身11和吊耳12；其中，钢管桩桩身11由数段钢管桩管节110对接焊接而成；

吊耳12固定在钢管桩桩身11的上半部分的外壁面上；

在钢管桩桩身11的桩顶以下第二段钢管桩管节110的中部沿桩周壁面上均布地开设若干个通气孔13，且若干个通气孔13均与钢管桩桩身11上的附属构件错开；通气孔13的数量可根据实际需求设定，本实施例中通气孔13的数量为两个。

每个通气孔13均为椭圆形孔，每个通气孔13的长直径a与钢管桩桩身11的中心轴平行，通气孔13的短直径b与钢管桩桩身11的中心轴垂直。

通气孔13的长直径a和短直径b是根据钢管桩的外径R、钢管桩的受力截面面积S₁、钢管桩的长度L、钢管桩的入水高度、液压锤的重量M、打桩锤的重力F、假设钢管桩沉桩时的溜桩高度h₂、溜桩时长t等相关参数设定。

每个通气孔13的长直径a和短直径b是按以下步骤计算得到:

步骤一，计算在不开通气孔的情况下，假设钢管桩沉桩时发生溜桩，液压锤2刚好能被顶起时桩内的气体压强P

根据压强的计算公式:

式(1)中：P为压强，单位：Pa；F为压力，单位：N；S为受力面积，即为钢管桩的截面面积S₁，单位:m²；

此时，压力F等于打桩锤的重力，即：

F＝M×g (2)

式(2)中：M为液压锤的重量，单位：Kg；g为重力加速度，取9.8N/kg；

故式(1)变为：

步骤二，计算钢管桩的溜桩高度h₂

根据波义耳定律,在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比,计算公式为：

P₁×V₁＝P₂×V₂ (4)

式(4)中：P₁为大气压强，通常1个标准大气压＝0.1MPa＝1.01×105N/m²；V₁为未被压缩时桩内气体的体积，单位：m³；P₂为压缩后桩内气体的压强，P₂＝P，单位：Pa；V₂为压缩后桩内气体的体积，单位：m³；

代入式(4)得：

P₁×S₁×(L-h₁)＝P₂×S₁(L-h₁-h₂) (5)

式(5)中：L为钢管桩的总长度，单位:m；h₁为钢管桩入水高度(水面距离桩底的高度)，单位:m；h₂为钢管桩的溜桩高度，单位:m；

通过式(5)可得：

步骤三，计算P₂状态下的空气流速V，单位：m/s

根据伯努利原理，气体流动过程中，伯努利方程可简化为：

P₂＝0.5ρV² (7)

式(7)中：ρ为空气密度，取1.29kg/m³；

由式(7)可得：

步骤四，计算钢管桩桩身上开设的每个通气孔的面积S₂

根据从A个通气孔中排出的气体体积与被压缩的气体体积相等的原则可得：

S₁×h₂＝A×S₂×V×t (9)

由式(9)可得：

将式(6)计算得到的h₂和式(8)计算得到的V代入式(10)可得：

式(11)中：t为钢管桩的溜桩时长，根据施工经验取30s；

步骤五，根据计算出的通气孔的面积S₂设定一个通气孔的长直径a和短直径b

从常规的椭圆形通气孔的面积计算公式：

(a＞b＞0)中设定长直径a和短直径b。

本发明的海上风电大直径钢管桩在进行施工时，主要流程为：

流程一，钢管桩制作及海上运输

海上风电大直径钢管桩在钢结构加工厂场制作时，各钢管桩管节110对接焊接后，在桩顶以下的第二段钢管桩管节110上开设两个通气孔13，再将吊耳12及其他构件与钢管桩桩身11焊接；钢管桩制作完成后，用驳船运输至海上相应的安装位置；

流程二，钢管桩沉桩

钢管桩沉桩时，由于桩顶被液压锤2封堵住，而桩底通过自重入海底泥面C，如遇软弱土质夹层发生溜桩现象，本发明的钢管桩内的气体3可通过通气孔13直接排出桩外(见图6)；

流程三，集成式附属构件安装及防冲刷施工

本发明的钢管桩沉桩完成后，直接进行集成式附属构件安装和防冲刷施工，无需进行桩内吸水和撒石灰的施工流程。

本发明的海上风电大直径钢管桩具有以下特点：

1)解决海上风电大直径钢管桩沉桩“溜桩”情形下，可能造成大型船机、设备损坏的问题，通过及时排出桩内的气体，可有效降低桩内的压缩气体对液压锤的顶冲力；

2)解决传统钢管桩施工后形成密闭环境，由桩内的海生物尸体腐败产生的有毒有害气体与大气不连通的问题，规避密闭空间的风险管理；

3)减少了沉桩完成后需要桩内吸水及撒石灰的施工工序，可缩短单桩沉桩施工时间，降低施工成本。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (3)

1.一种海上风电大直径钢管桩，包括钢管桩桩身和吊耳；所述钢管桩桩身由多段钢管桩管节对接焊接而成；所述吊耳固定在钢管桩桩身的上半部分的外壁面上，其特征在于，

在所述钢管桩桩身的桩顶以下第二段钢管桩管节的中部沿桩周壁面上均布地开设若干个通气孔，且若干个通气孔均与钢管桩桩身上的附属构件错开。

2.根据权利要求1所述的海上风电大直径钢管桩，其特征在于，所述通气孔为椭圆形，且通气孔的长直径a与钢管桩桩身的中心轴平行，通气孔的短直径b与钢管桩桩身的中心轴垂直。

3.根据权利要求2所述的海上风电大直径钢管桩，其特征在于，所述通气孔的长直径a和短直径b是按以下步骤计算得到:

步骤一，计算在不开通气孔的情况下，假设钢管桩沉桩时发生溜桩，液压锤刚好能被顶起时桩内的气体压强P

根据压强的计算公式:

式(1)中：P为压强，单位：Pa；F为压力，单位：N；S为受力面积，即为钢管桩的截面面积S₁，单位:m²；

此时，压力F等于打桩锤的重力，即：

F＝M×g (2)

式(2)中：M为液压锤的重量，单位：Kg；g为重力加速度，取9.8N/kg；

故式(1)变为：

步骤二，计算钢管桩的溜桩高度h₂

根据波义耳定律,在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比,计算公式为：

P₁×V₁＝P₂×V₂ (4)

式(4)中：P₁为大气压强，通常1个标准大气压＝0.1MPa＝1.01×105N/m²；V₁为未被压缩时桩内气体的体积，单位：m³；P₂为压缩后桩内气体的压强，P₂＝P，单位：Pa；V₂为压缩后桩内气体的体积，单位：m³；

代入式(4)得：

P₁×S₁×(L-h₁)＝P₂×S₁(L-h₁-h₂) (5)

式(5)中：L为钢管桩的总长度，单位:m；h₁为钢管桩的入水高度，单位:m；h₂为钢管桩的溜桩高度，单位:m；

通过式(5)可得：

步骤三，计算P₂状态下的空气流速V，单位：m/s

根据伯努利原理，气体流动过程中，伯努利方程可简化为：

P₂＝0.5ρV² (7)

式(7)中：ρ为空气密度，取1.29kg/m³；

由式(7)可得：

步骤四，计算钢管桩桩身上开设的每个通气孔的面积S₂

根据从A个通气孔中排出的气体体积与被压缩的气体体积相等的原则可得：

S₁×h₂＝A×S₂×V×t (9)

由式(9)可得：

将式(6)计算得到的h₂和式(8)计算得到的V代入式(10)可得：

式(11)中：t为钢管桩的溜桩时长，取30s；

步骤五，根据计算出的通气孔的面积S₂，设定一个通气孔的长直径a和短直径b

从常规的椭圆形通气孔的面积计算公式：

中设定长直径a和短直径b。

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