CN112240030A - 一种海上风电组合式单桩基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上风电组合式单桩基础及其施工方法，该组合式单桩基础包括钢管桩、以及若干变截面T型翼板，所述的钢管桩的外表面沿竖向设有数量匹配所述变截面T型翼板的卯槽，所述的变截面T型翼板上设有与所述卯槽匹配的榫头，使得变截面T型翼板与钢管桩之间通过由卯槽与榫头组成的榫卯结构固定连接。与现有技术相比，本发明可一定程度上解决单桩基础垂直纠偏问题，提高单桩基础在深水海域的适用性，且具有抗倾覆能力高、承载力高、施工方便、经济效益好等优点。

Description

一种海上风电组合式单桩基础及其施工方法

技术领域

本发明属于海上风电基础技术领域，涉及一种海上风电组合式单桩基础及其施工方法。

背景技术

能源是现代社会和经济发展的基础，然而随着人口数量的增长和社会经济的日益发展，对能源的消耗也同样飞速的增长，能源危机渐渐显现。开发清洁高效的可再生能源是世界各国大力发展的战略目标，风能作为一种可再生能源，是各国重点发展的新能源之一。海上风能发电作为风能利用的一种，在近些年来得到飞速的发展，其具有陆上风能发电的绝大部分优点，且具有发电量大、使用限制少、不占用陆上土地等优势。

大直径单桩基础是海上风电基础的主流，施工方便且经济效益较好，但单桩基础一般适用水深小于25m的海域，而随着近海风电资源的逐渐开发，深水海域风电开发是大势所趋，制约单桩基础向深水海域应用的问题主要有：单桩基础需具备较大的承载力和抗滑抗倾覆稳定性；施工船舶在沉桩施工时受波浪、海风等影响，难以控制单桩垂直度；大直径单桩基础材料使用量较大，运载不便等。

在海上风电项目的索赔事件中，单桩基础相关问题占到了35％，其中绝大多数都发生在深水海域。这一定程度上是因为开发商在建设过程中为降低成本仍采用基本的单桩基础，而忽略了其可靠性和适用性。目前，将多种类型的海上风电基础进行可靠结合，使其具有多种类型基础的组合优势，是未来海上风电基础发展的趋势。因此，开发一种新型耐用的组合式单桩基础具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种海上风电组合式单桩基础及其施工方法，以解决基本的单桩基础在深水海域可靠性和适用性较差、沉桩垂直度难以保证等问题。具有抗倾覆能力高、承载力高、施工方便、经济效益好等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一方面，一种海上风电组合式单桩基础，包括钢管桩、以及若干变截面T型翼板，所述的钢管桩的外表面沿竖向设有数量匹配所述变截面T型翼板的卯槽，所述的变截面T型翼板上设有与所述卯槽匹配的榫头，使得变截面T型翼板与钢管桩之间通过由卯槽与榫头组成的榫卯结构固定连接。

进一步的，所述的钢管桩的底部还连接有桩尖。更进一步的，所述的桩尖呈开口型、十字型、四棱锥型、六棱锥型或圆锥型。桩尖与钢管桩的底端要保证焊接密封，以免桩底进泥进水。

进一步的，钢管桩的外径可选为3-5m，壁厚为0.3-1mm，高度为20-50m，其外侧设置的卯槽的纵向长度(即竖直方向)为10-30m，钢管桩一般在陆地上预制而成，同时，卯槽一般预先焊接在钢管桩上，并要保证焊接质量。一般的，卯槽设置成4个为宜，且均匀焊接在钢管桩上。

进一步的，所述的钢管桩内部还设置有通长的加劲肋，加劲肋可以为十字形，也可以为一字形，也可以为其他形状，其作用为提高其抗弯刚度。

进一步的，所述的变截面T型翼板由相互垂直连接的腹板与翼缘组成，其中，所述腹板上设置有所述榫头，且腹板的长度(即沿钢管桩径向的宽度)从上到下逐渐减小，实现T型翼缘从上到下的“变截面”，使得整个腹板呈上大下小的直角梯形或直角三角形等。

腹板可以有效地提高所述钢管桩的抗弯刚度和承载力，减小钢管桩的用料及尺寸，更进一步的，所述的腹板的厚度为0.2-0.5m，高度为0.2-2m，高厚比不宜过大，应满足局部稳定要求。

所述的翼缘的厚度为0.2-0.5m，宽度为0.5-1m，宽厚比不宜过大，应满足局部稳定要求。

更进一步的，所述的腹板上远离钢管桩的一端向内加工有上下贯通的凹槽，所述的翼缘的中间位置还垂直设有可匹配***所述凹槽内的凸起，所述凹槽与凸起的底部位置转动连接，在凹槽内还内置有主动伸缩件，该主动伸缩件的两端分别铰接所述凹槽底部与凸起。更进一步优选的，所述的主动伸缩件为千斤顶；所述的凹槽与凸起的底部位置通过大直径螺栓转动连接。这样，通过主动伸缩件，配合另外增设的铅垂仪、应变传感器和加速度传感器等即可使得变截面T型翼板本身即构成辅助沉桩垂直纠偏的机械结构，当在对应钢管桩桩身过度偏向一侧需要纠偏时，开启该侧对应的变截面T型翼板内的主动伸缩件(即千斤顶)，这样，变截面T型翼板的翼缘即与地基接触产生反作用力，以使所述钢管桩桩身向反方向回正，达到纠偏的目的。铅垂仪、应变传感器和加速度传感器等在沉桩时负责监控沉桩过程的垂直度、速度、深度等，根据反映的沉桩情况来控制所述垂直纠偏装置。

进一步的，所述的榫卯结构处还采用高强度螺栓加固。

另一方面，本发明还提出了一种海上风电组合式单桩基础的施工方法，包括以下步骤：

(1)预制好包括钢管桩和变截面T型翼板在内的构件；

(2)将所有构件运送至施工位，然后，将钢管桩与变截面T型翼板通过榫卯结构组合成单桩基础；

(3)将单桩基础吊装下沉至设计桩位，稳桩后进行沉桩，沉桩过程中需控制垂直度达标；

(4)在沉桩至设计标高后，检查单桩基础的承载力，并对地基加固，即完成。

进一步的，在沉桩至设计标高后，应检查所述变截面T型翼板的沉入情况，若沉没后所述翼缘与所述钢管桩间有较大间隙，宜在其中填充堆载物，以对单桩基础进行加固。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)该单桩基础具有较高的承载力和抗倾覆能力，以适应深水海域的可靠性要求；

(2)可以克服单桩基础沉桩时垂直度难以保证的技术问题，能够有效提高海上风电单桩基础沉桩的施工效率，降低船机设备的使用，从而降低施工成本；

(3)组合式单桩基础运载相对便捷，且所述变截面T型翼板可显著节省所述钢管桩材料用量，节约成本。

附图说明

图1为本发明提供的单桩基础的立体结构示意图；

图2为本发明提供的单桩基础桩底的立体结构示意图；

图3为本发明提供的单桩基础桩顶的立体结构示意图；

图4为本发明所述变截面T型翼板的主视图；

图5为本发明所述变截面T型翼板的俯视图。

图中标记说明：

1-钢管桩，2-变截面T型翼板，21-腹板，22-翼缘，3-桩尖，4-加劲肋，5-榫卯结构，51-榫头，52-卯槽，6-凸起，7-大直径螺栓，8-千斤顶，9-凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

上文已经提及，基本的单桩基础虽然施工方便且经济效益较好，但适用的水深较浅，在深水海域可靠性和适用性较差、沉桩垂直度难以保证，开发一种新型的单桩基础以克服基本单桩基础在深水海域的问题具有重要意义。

针对上述问题，一方面，本发明提供了一种海上风电组合式单桩基础，请参见图1至图5等所示，包括钢管桩1、以及若干变截面T型翼板2，所述的钢管桩1的外表面沿竖向设有数量匹配所述变截面T型翼板2的卯槽52，所述的变截面T型翼板2上设有与所述卯槽52匹配的榫头51，使得变截面T型翼板2与钢管桩1之间通过由卯槽52与榫头51组成的榫卯结构5固定连接。

在一种具体的实施方式中，请再参见图2所示，所述的钢管桩1的底部还连接有桩尖3。更具体的实施方式中，所述的桩尖3呈开口型、十字型、四棱锥型、六棱锥型或圆锥型。桩尖3与钢管桩1的底端要保证焊接密封，以免桩底进泥进水。

在一种具体的实施方式中，钢管桩1的外径可选为3-5m，壁厚为0.3-1mm，高度为20-50m，其外侧设置的卯槽52的纵向长度(即竖直方向)为10-30m，钢管桩1一般在陆地上预制而成，同时，卯槽52一般预先焊接在钢管桩1上，并要保证焊接质量。一般的，卯槽52设置成4个为宜，且均匀焊接在钢管桩1上。

在一种具体的实施方式中，请再参见图3等所示，所述的钢管桩1内部还设置有通长的加劲肋4，加劲肋4可以为十字形，也可以为一字形，也可以为其他形状，其作用为提高其抗弯刚度。

在一种具体的实施方式中，请再参见图4等所示，所述的变截面T型翼板2由相互垂直连接的腹板21与翼缘22组成，其中，所述腹板21上设置有所述榫头51，且腹板21的长度(即沿钢管桩1径向的宽度)从上到下逐渐减小，实现T型翼缘22从上到下的“变截面”，使得整个腹板21呈上大下小的直角梯形或直角三角形等。

腹板21可以有效地提高所述钢管桩1的抗弯刚度和承载力，减小钢管桩1的用料及尺寸，更进一步的，所述的腹板21的厚度为0.2-0.5m，高度为0.2-2m，高厚比不宜过大，应满足局部稳定要求。

所述的翼缘22的厚度为0.2-0.5m，宽度为0.5-1m，宽厚比不宜过大，应满足局部稳定要求。

更具体的实施方式中，请再参见图5等所示，所述的腹板21上远离钢管桩1的一端向内加工有上下贯通的凹槽9，所述的翼缘22的中间位置还垂直设有可匹配***所述凹槽9内的凸起6，所述凹槽9与凸起6的底部位置转动连接，在凹槽9内还内置有主动伸缩件，该主动伸缩件的两端分别铰接所述凹槽9底部与凸起6。更进一步优选的，所述的主动伸缩件为千斤顶8；所述的凹槽9与凸起6的底部位置通过大直径螺栓7(此处的大直径螺栓7不对直径大小做出限制，仅要求其直径或强度满足对应要求，使得翼缘22与腹板21在相对转动时不会损坏)转动连接。这样，通过主动伸缩件，配合另外增设的铅垂仪、应变传感器和加速度传感器等即可组成辅助沉桩垂直纠偏的机械结构，当在对应钢管桩1桩身过度偏向一侧需要纠偏时，开启该侧对应的变截面T型翼板2内的主动伸缩件(即千斤顶8)，这样，变截面T型翼板2的翼缘22即与地基接触产生反作用力，以使所述钢管桩1桩身向反方向回正，达到纠偏的目的。铅垂仪、应变传感器和加速度传感器等在沉桩时负责监控沉桩过程的垂直度、速度、深度等，根据反映的沉桩情况来控制所述垂直纠偏装置。

在一种具体的实施方式中，所述的榫卯结构5处还采用高强度螺栓加固(此处的高强度并不是对强度的高低做出限制，仅是为了表示其强度需满足加固的要求)。

另一方面，本发明还提出了一种海上风电组合式单桩基础的施工方法，包括以下步骤：

(1)预制好包括钢管桩1和变截面T型翼板2在内的构件；

(2)将所有构件运送至施工位，然后，将钢管桩1与变截面T型翼板2通过榫卯结构5组合成单桩基础；

(3)将单桩基础吊装下沉至设计桩位，稳桩后进行沉桩，沉桩过程中需控制垂直度达标；

(4)在沉桩至设计标高后，检查单桩基础的承载力，并对地基加固，即完成。

进一步的，在沉桩至设计标高后，应检查所述变截面T型翼板2的沉入情况，若沉没后所述翼缘22与所述钢管桩1间有较大间隙，宜在其中填充堆载物，以对单桩基础进行加固。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。

为能进一步地了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实例。

实施例1：

如图1至图5所示，该组合式单桩基础包括带有卯槽52的钢管桩1，四片带有榫头51的变截面T型翼板2，平底开口型的桩尖3，通长的十字型的加劲肋4，易于形成可靠连接的榫卯结构5，沉桩过程中辅助垂直纠偏机械部件(包括千斤顶8等)，位于变截面T型翼板2底端的大直径螺栓7，千斤顶8。

如图1所示，所述钢管桩1上设置有四条所述纵向的卯槽52，以便与所述带有榫头51的变截面T型翼板2可靠连接，所述钢管桩1底端宜在陆上提前焊接了所述平底开口型的桩尖3以辅助沉桩，所述钢管桩1内部设置通长的十字型的加劲肋4，以提高单桩基础的抗弯刚度，提高承载力。上述钢管桩1及所属部件均应在陆上热轧或冷弯制成，作为组合构件。所述四片变截面T型翼板2设置有榫头51；所述垂直纠偏机械结构的千斤顶8设置在所述变截面T型翼板2的内部，并链接数据至沉桩控制台，以便沉桩垂直纠偏时施加反向推力；所述大直径螺栓7设置在所述变截面T型翼板2的底端，使得所述垂直纠偏机械结构在开合时可绕底部为轴旋转，以起良好的纠偏效果。上述变截面T型翼板2及所属部件作为另一组合构件，在沉桩前通过榫卯结构5辅以高强螺栓连接来构成组合式单桩基础。

为进一步说明本发明内容，列举单桩基础相关构件的尺寸。所述钢管桩1的外径可选3-5m，壁厚可选0.3-1m，高度可选20-50m，其上设置的所述榫卯结构5的纵向长度可选10m-30m，截面尺寸应根据焊接需要而定，纵向长度与桩的嵌固深度有关且数量宜以4为模数，并均布焊接在所述钢管桩1上，应根据设计用途及工程环境确定钢管桩1的具体尺寸。

如图2所示，所述桩尖3的类型可选用十字型、开口型、四棱锥型、六棱锥型、圆锥型等，且应与单桩底端预先焊接。如图3所示，所述通长的十字型的加劲肋4预先焊接在所述钢管桩1内，厚度可选0.1-0.3m，亦可采用如一字型等加劲肋4，宜根据工程要求而定。所述变截面T型翼板2的腹板21可有效地提高所述钢管桩1的抗弯刚度和承载力，减小钢管桩1的用料及尺寸，其厚度可选0.2-0.5m，变截面高度可选0.2-2m，高厚比不宜过大，其翼缘22厚度可选0.2-0.5m，宽度可选0.5-1m，宽厚比不宜过大，应满足局部稳定要求。所述变截面T型翼板2可采用冷弯或热轧工艺陆上制成，腹板21的倾角可选60-80°，以保证所述钢管桩1易于下沉，其端部应制成榫头51，并与所述钢管桩11上的卯槽52相对应。所述变截面T型翼板2底端的大直径螺栓7可选直径0.1-0.3m。

如图4、图5所示，本实施例另外还提供了一种辅助沉桩垂直纠偏的机械结构，其有效地克服了单桩基础沉桩时垂直度难以保证的技术问题，包括内部设置有千斤顶8的变截面T型翼板2、铅垂仪、应变传感器和加速度传感器等。在所述钢管桩1桩身偏向一侧过度需要纠偏时，开启该侧所述变截面T型翼板2的内置的千斤顶8，所述变截面T型翼板2的翼缘22与地基接触产生反作用力，以使所述钢管桩1桩身向反方向回正，达到纠偏的目的。所述铅垂仪、应变传感器和加速度传感器等在沉桩时负责监控沉桩过程的垂直度、速度、深度等，根据反映的沉桩情况来控制所述垂直纠偏装置。

本实施例还提供了一种海上风电组合式单桩基础的施工方法，具体包括以下步骤：

(1)在陆上预制好所述钢管桩1和所述变截面T型翼板2等构件；制成的构件应提前检测质量及匹配程度，将组合式单桩基础组合完毕后检查密封性和可靠性，达标后方可出库。

(2)将所述构件海上运载至设计桩位；运载时可将所述钢管桩1和所述变截面T型翼板2分别承载在多只船只上，以便于运输。到达设计桩位后应实地勘察桩位情况，并与设计对照合规后方可准备沉桩。

(3)将所述钢管桩1和所述变截面T型翼板2通过榫卯结构5并辅以高强螺栓组合成整体；在沉桩前应将各构件组合成型，并检查各仪器的运转情况。

(4)将所述组合好的单桩基础吊装下沉至设计桩位，稳桩后进行沉桩，沉桩过程中需控制垂直度，可通过所述辅助沉桩垂直纠偏机械结构保证垂直度达标；将所述单桩吊装时应进行稳桩，避免桩身晃动，之后对准桩位、保证单桩垂直度，确定前期准备环节无误后进行沉桩过程。

(5)在沉桩至设计标高后，检查单桩基础承载力并对地基进行加固。在沉桩至设计标高后，应检查所述变截面T型翼板2的沉入情况，若沉没后所述翼缘22与所述钢管桩1间有较大间隙，宜在其中填充堆载物，以对单桩基础进行加固。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，包括钢管桩、以及若干变截面T型翼板，所述的钢管桩的外表面沿竖向设有数量匹配所述变截面T型翼板的卯槽，所述的变截面T型翼板上设有与所述卯槽匹配的榫头，使得变截面T型翼板与钢管桩之间通过由卯槽与榫头组成的榫卯结构固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，所述的钢管桩的底部还连接有桩尖，且桩尖与钢管桩的底端保证焊接密封。

3.根据权利要求2所述的一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，所述的桩尖呈开口型、十字型、四棱锥型、六棱锥型或圆锥型。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，所述的钢管桩内部还设置有加劲肋。

5.根据权利要求1所述的一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，所述的变截面T型翼板由相互垂直连接的腹板与翼缘组成，其中，所述腹板上设置有所述榫头，且腹板的长度从上到下逐渐减小。

6.根据权利要求5所述的一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，所述的腹板的厚度为0.2-0.5m，高度为0.2-2m；

所述的翼缘的厚度为0.2-0.5m，宽度为0.5-1m。

7.根据权利要求5所述的一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，所述的腹板上远离钢管桩的一端向内加工有上下贯通的凹槽，所述的翼缘的中间位置还垂直设有可匹配***所述凹槽内的凸起，所述凹槽与凸起的底部位置转动连接，在凹槽内还内置有主动伸缩件，该主动伸缩件的两端分别铰接所述凹槽底部与凸起。

8.根据权利要求7所述的一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，所述的主动伸缩件为千斤顶；

所述的凹槽与凸起的底部位置通过大直径螺栓转动连接。

9.根据权利要求1所述的一种海上风电组合式单桩基础，其特征在于，所述的榫卯结构处还采用高强度螺栓加固。

10.如权利要求1-9任一所述的一种海上风电组合式单桩基础的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)预制好包括钢管桩和变截面T型翼板在内的构件；

(2)将所有构件运送至施工位，然后，将钢管桩与变截面T型翼板通过榫卯结构组合成单桩基础；

(3)将单桩基础吊装下沉至设计桩位，稳桩后进行沉桩，沉桩过程中需控制垂直度达标；

(4)在沉桩至设计标高后，检查单桩基础的承载力，并对地基加固，即完成。

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