一种装配式多桩基础结构及其承建方法
技术领域
本发明属于海上风电建设工程中高耸构筑物基础结构技术领域,涉及一种预制装配式多桩基础的承建方法,适用于支撑例如风力发电机组塔架、海上升压站、输电线路杆塔等基础结构。
背景技术
随着清洁能源的大力开发,我国海上风电即将迎来大规模建设高潮。其中,海上风电机组基础设计技术是风电工程中的关键环节,针对我国近海海域极端风速大、波浪等荷载及环境灾害联合作用、地基软弱复杂、施工条件局限等特点,传统多桩基础先打桩,但是承台内的施工都是在海上,需要防水钢套箱,钢筋绑扎,预埋件,调平,海上浇筑大体积混凝土,存在施工过程复杂、周期较长等问题。海上风电预制装配式多桩基础可减少海上作业时间,但风电机组对基础的平整度要求较严格。
为此,改进和创新海上风电机组多桩基础结构型式及其承建(安装)方法,以减少施工量、提高施工效率,降低施工成本。
发明内容
本发明目的是提供一种装配式多桩基础结构及其承建方法,以减少施工量、提高施工效率、提高工程质量和降低施工成本。
为达上述目的,本发明提供了一种装配式多桩基础结构,包括混凝土体,其特殊之处在于,所述混凝土体的顶面中心处设置有预留基础环孔,混凝土本体的底面对应管桩的位置处环形设置有多个均匀布置的预留桩窝孔。
上述混凝土体的边缘处设置有穿透该混凝土体的顶面和底面的预留桩窝环孔,该预留桩窝环孔的内、外环面之间设置有多个沿周向布置的连接钢梁,相邻的连接钢梁之间的预留桩窝环孔部分形成所述的预留桩窝孔。
上述多个连接钢梁沿预留桩窝环孔的周向均匀设置。
上述连接钢梁所在平面低于所述预留基础环孔的底面。
上述每个预留桩窝孔的顶部设置有穿透混凝土本体的顶面的灌浆孔道。
上述灌浆孔道为偏心环形孔道。
一种装配式多桩基础的承建方法,包括以下步骤 :
1)完成基桩的安装 ;
2)吊装预制混凝土承台 ;
3)给预制混凝土承台内浇筑混凝土,实现基桩与预制混凝土承台的一体浇筑,完成装配式多桩基础的承建。
上述的装配式多桩基础的承建方法,所述 :
步骤 1)的具体过程是 :在安装好的各管桩内设置钢筋笼且该钢筋笼的上段部分置于管桩外,再向该钢筋笼内浇筑混凝土,形成桩芯混凝土段、延伸至管桩顶部外的外延混凝土段、连接该桩芯混凝土段与外延混凝土段的过渡段,然后在该外延混凝土段外及管桩顶部套设桩帽,最后在该桩帽的顶部垂直设置粗调平千斤顶 ;
步骤 2)的具体过程是 :用浮吊将预制混凝土承台提起,使预制混凝土承台底部高于管桩桩顶1~1. 5 m左右,同时使预留桩窝孔对准每根管桩后,缓缓、匀速下放预制混凝土承台,待预制混凝土承台内的预埋连接钢梁触压到管桩桩顶的粗调平千斤顶后,测量人员立即用激光水准仪观测预制混凝土承台的偏位情况,随时将结果报给指挥人员,通过调节各桩桩顶处粗调平千斤顶的行程实现对预制混凝土承台的水平度的调整,并使调平误差小于5cm ;
步骤 3)的具体过程是 :于预留基础环孔内安装基础环,并通过设置在基础环与预留基础环孔的底面之间的基础环支撑调平架实现对基础环的调平,使基础环的调平误差小于5mm,向预留基础环孔、预留桩窝环孔内浇筑混凝土,使得整个基桩与预制混凝土承台现浇为一整体,完成装配式多桩基础的承建。
上述的装配式多桩基础的承建方法,其特征在于,所述:
步骤 1)的具体过程是 :完成各管桩安装,将各管桩桩头切平,使得各管桩桩顶处于同一水平面,并于各管桩内设置钢筋笼且该钢筋笼的上段部分置于管桩外,再向该钢筋笼内浇筑混凝土,形成桩芯混凝土段、延伸至管桩顶部外的外延混凝土段、连接该桩芯混凝土段与外延混凝土段的过渡段 ;
步骤 2)的具体过程是 :用浮吊将预制混凝土承台提起,使预制混凝土承台底部高于管桩桩顶1~1. 5 m左右,同时使预留桩窝孔对准每根管桩后,缓缓、匀速下放预制混凝土承台,使各管桩桩顶与预留桩窝孔的顶面均完全接触 ;
步骤 3)的具体过程是 :于预留基础环孔内安装基础环和基础环支撑调平架,基础环支撑调平架包括底法兰和设置在该底法兰的底面和预留基础环孔的底面之间的多个垂直设置的微调千斤顶,且该多个微调千斤顶沿周向均匀设置在底法兰的下方,微调千斤顶的顶部通过调整螺栓与底法兰联接;
测量人员用激光水准仪观测基础环的偏位情况,随时将结果报给指挥人员,通过调整螺栓调节各微调千斤顶的行程实现对基础环的水平度的调整,并使调平误差小于5mm,基础环的调平精度满足要求后,经灌浆孔道向预留桩窝孔内浇筑二期混凝土,使得管桩与预制混凝土承台现浇为一整体,同时向预留基础环孔内浇筑混凝土,完成基础环处的二期混凝土浇筑,从而完成装配式多桩基础的安装。
上述的装配式多桩基础的承建方法,所述 :
步骤 1)的具体过程是 :完成各管桩安装,将各管桩桩头切平,使得各管桩桩顶处于同一水平面,并于各管桩内设置钢筋笼且该钢筋笼的上段部分置于管桩外,再向该钢筋笼内浇筑混凝土,形成桩芯混凝土段、延伸至管桩顶部外的外延混凝土段、连接该桩芯混凝土段与外延混凝土段的过渡段,然后在各管桩顶部搭建支撑平台,并于该支撑平台顶部垂直安装粗调平千斤顶 ;
步骤 2)的具体过程是 :用浮吊将预制混凝土承台提起,使预制混凝土承台底部高于管桩桩顶1~1. 5 m左右,同时使预留桩窝孔对准每根管桩后,缓缓、匀速下放预制混凝土承台,使粗调平千斤顶顶触在混凝土体的底面上,然后,测量人员用激光水准仪观测预制混凝土承台的偏位情况,随时将结果报给指挥人员,通过调节各粗调平千斤顶的行程实现对预制混凝土承台的水平度的调整,并使调平误差小于 5mm ;
步骤 3)的具体过程是 :预制混凝土承台的调平精度满足要求后,经灌浆孔道向预留桩窝孔内浇筑二期混凝土,使得管桩与预制混凝土承台现浇为一整体,完成装配式多桩基础的安装。
上述管桩是钢管桩或钢管混凝土桩。
上述桩芯混凝土段的高度 h ≥ 1.5d,d 为管桩直径 ;所述管桩伸入桩帽内的长度l>d ;外延混凝土段的高度 l0>35ds,ds 为钢筋直径 ;
所述预制混凝土承台底部处的管桩距离预制混凝土承台的侧端的距离 k>0.4d;管桩伸入预制混凝土承台底部的长度至少是100mm。
上述管桩桩顶主筋的分布为喇叭形,主筋与竖直方向的夹角为30°~45°;
在主筋为光圆钢筋时,锚入预制混凝土承台内的主筋的长度大或等于钢筋直径的30倍 ;
在主筋为带肋钢筋时,锚入预制混凝土承台内的主筋的长度大或等于钢筋直径的35倍。
上述当桩中距 a ≤ 3d 时,d 为管桩直径,预制混凝土承台的受力钢筋均匀布置于预制混凝土承台的全宽度内;
当桩中距a>3d时,预制混凝土承台的受力钢筋均匀布置于距桩中心1.5d范围内,在此范围以外应布置配筋率不小于 0.1%的构造钢筋。
吊装预制混凝土承台时,使各吊点同时受力,并应防止预制混凝土承台上的吊耳产生扭曲,吊绳与吊耳的水平面所成夹角大或等于 45°。
向预留桩窝孔内浇筑混凝土前,先凿毛预留桩窝孔的内壁或在预留桩窝孔的内壁预留插筋,以增大新老混凝土的机械咬合力或增强新老混凝土的粘结性能;
在混凝土浇筑时安排专人预埋测温管,测温管预埋时测温管与钢筋绑扎牢固,以免位移或损坏 ;测温管用塑料带罩好,绑扎牢固,然后分层浇筑混凝土,每层混凝土的厚度为400mm ~ 500mm,浇筑混凝土时应连续浇筑,间歇时间不超过 2.5h,并通过测温记录与保温覆盖措施使内外温差控制在25度以内,并应防止混凝土产生离析,使骨料粒径小于80mm的三级配混凝土自由下落高度不超过2m。
上述基础环支撑调平架包括底法兰和设置在该底法兰的底面和预留基础环孔的底面之间的多个垂直设置的微调千斤顶,且该多个微调千斤顶沿周向均匀设置在底法兰的下方,微调千斤顶的顶部通过调整螺栓与底法兰联接。
本发明的优点是 :通过陆上预制混凝土承台(混凝土承台套箱),利用混凝土承台代替传统的钢套箱,预制混凝土承台套箱即充当了混凝土模板同时又是重要的承载结构,采用装配式多桩基础安装方法(装配式的多桩基础施工方案),与目前海上风电机组中使用的多桩基础(高桩承台基础)施工方案相比,节省了海上支模和拆模工序,同时可以将大量的海上现场钢筋绑扎在陆上预制厂完成,大大提高了施工效率,节省了海上承台施工时间,同时降低了施工成本。
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
图 1 是预留基础环孔和桩窝环孔的预制混凝土承台轴向剖面结构示意图。
图 2 是图 1 的横截面结构示意图。
图 3 是预留基础环孔和桩窝孔的预制混凝土承台轴向剖面结构示意图。
图 4 是图 3 的横截面结构示意图。
图 5 是预埋基础环、预留预留桩窝孔的预制混凝土承台轴向剖面结构示意图。
图 6 是管桩结构示意图。
图 7 是完成吊装后、且于预留桩窝孔内进行调平的预制混凝土承台结构示意图。
图 8 是完成后的基于预留基础环孔和预留预留桩窝孔的预制混凝土承台的装配式多桩基础轴向剖面结构示意图。
图 9 是完成后的基于预留桩窝孔的预制混凝土承台的装配式多桩基础轴向剖面结构示意图。
图 10 是图 9 中的 A部放大图。
图 11 是完成后的基于预埋基础环和预留桩窝孔的预制混凝土的装配式多桩基础。
图 12 是管桩顶部主筋结构示意图。
图 13 是预留基础环孔底面预埋支撑钢板的示意图。
附图标记说明 :1、混凝土体;2、预留基础环孔 ;3、预留桩窝孔 ; 4、吊耳 ;5、预留桩窝环孔 ;6、连接钢梁;7、灌浆孔道 ;8、管桩 ;9、钢筋笼 ;10、桩芯混凝土段 ;11、外延混凝土段 ;12、过渡段;13、桩帽 ;14、粗调平千斤顶 ;15、基础环 ;16、调整螺栓 ;17、底法兰;18、微调千斤顶;19、支撑平台 ;20、中心柱 ;21、底法兰圆周;22、支撑钢板。
具体实施方式
图 1 所示为一种装配式多桩基础结构(又称预制混凝土承台套箱),具体是一种预留桩窝环孔5的预制混凝土承台,包括混凝土体1,设置在混凝土体1的顶面中心处的预留基础环孔 2,预留桩窝环孔 5 穿透该混凝土体 1 的顶面和底面且位于混凝土体 1 的边缘处(即轴向外圆周附近),预留桩窝环孔5的内、外环面之间设置有多个沿周向布置的连接钢梁6,结合图2可见,相邻的连接钢梁6之间的预留桩窝环孔5部分形成预留桩窝孔3,该预留桩窝孔3设置在混凝土本体1的底面对应管桩8的位置处,且呈环形均匀设置,自然该多个连接钢梁 6 沿预留桩窝环孔 5 的周向均匀设置。由图 1 不难看出,连接钢梁 6 所在平面低于预留基础环孔 2 的底面。
而图 3 所示则为预留基础环孔和桩窝孔的预制混凝土承台(即第二种装配式多桩基础结构),由图 3 可见,每个预留桩窝孔 3 的顶部设置有穿透混凝土本体 1 的顶面的灌浆孔道7,而由图4可见,灌浆孔道7为偏心环形孔道(为圆环形),即灌浆孔道7的环壁外侧向预留基础环孔2内距离因开设灌浆孔道7而形成的中心柱20的距离逐渐减小,这一点由图3 也可清晰见证。
图5则是预埋基础环15、预留桩窝孔3的预制混凝土承台(即第三种装配式多桩基础结构),其与图 3 所示的预留基础环孔和桩窝孔的预制混凝土承台结构类似,只是预埋有基础环 15而已。
同时,本实施例提供了基于以上各种预制混凝土承台的装配式多桩基础的承建方法,包括以下步骤 :
1、完成基桩的安装 ;
2、吊装预制混凝土承台 ;
3、给预制混凝土承台内浇筑混凝土,实现基桩与预制混凝土承台的一体浇筑,完成装配式多桩基础的承建。
具体来说,基于图 1、2 所示的预留基础环孔 2 和预留桩窝孔 3 的预制混凝土承台的装配式多桩基础的承建方法,包括步骤 1)(结合图 6)、在安装好的各管桩 8 内设置钢筋笼9且该钢筋笼9的上段部分置于管桩8外,再向该钢筋笼9内浇筑混凝土,形成桩芯混凝土段10、延伸至管桩8顶部外的外延混凝土段11、连接该桩芯混凝土段10与外延混凝土段11 的过渡段 12,然后在该外延混凝土段 11 外及管桩 8 顶部套设桩帽 13,最后在该桩帽 13的顶部垂直设置粗调平千斤顶14(见图 7);
步骤2)(结合图 7)、用1000t(字母 t 代表重量计量单位 :吨)浮吊将图 1 所示的预制混凝土承台提起,使预制混凝土承台底部高于管桩 8 桩顶 1 ~ 1. 5 m 左右,同时使预留桩窝孔 3对准每根管桩后,缓缓、匀速下放预制混凝土承台,待预制混凝土承台内的预埋连接钢梁6触压到管桩桩顶的粗调平千斤顶14后,测量人员立即用激光水准仪观测预制混凝土承台的偏位情况,随时将结果报给指挥人员,通过调节各桩桩顶处粗调平千斤顶 14 的行程实现对预制混凝土承台的水平度的调整,并使调平误差小于 5cm ;
步骤3)、于预留基础环孔2内安装基础环15,并通过设置在基础环15与预留基础环孔2 的底面之间的基础环支撑调平架实现对基础环 15 的调平,使基础环 15 的调平误差小于5mm,向预留基础环孔2、预留桩窝环孔5内浇筑混凝土,使得整个基桩与预制混凝土承台现浇为一整体(即通过海上现浇二期混凝土实现与预制承台套箱混凝土浇筑为一体),完成装配式多桩基础的承建,见图 8。
而基于图 3、4 所示的预留桩窝孔的预制混凝土承台的装配式多桩基础的承建方法,包括步骤 1)(结合图 6)、完成各管桩安装,将各管桩桩头切平,使得各管桩桩顶处于同一水平面,并于各管桩8内设置钢筋笼9且该钢筋笼9的上段部分置于管桩8外,再向该钢筋笼9内浇筑混凝土,形成桩芯混凝土段10、延伸至管桩8顶部外的外延混凝土段11、连接该桩芯混凝土段10与外延混凝土段11的过渡段12,不难看出,相比较前述的基于预留基础环孔和预留预留桩窝孔的预制混凝土承台的装配式多桩基础的承建方法中,此环节不需要安装桩帽13,而是将各管桩8的桩顶切平,使得各管桩8的桩顶处于同一水平面,如此即可确保吊装在由多根管桩 8 构建成的基桩上的预制混凝土承台的水平,而后进入步骤 2)(结合图9)、用1000t浮吊将图3所示的预制混凝土承台提起,使预制混凝土承台底部高于管桩8桩顶1~1. 5 m左右,同时使预留桩窝孔3对准每根管桩8后,缓缓、匀速下放预制混凝土承台,使各管桩8桩顶与预留桩窝孔3的顶面完全接触,而后则是步骤3)、于预留基础环孔 2 内安装基础环 15 和基础环支撑调平架,基础环支撑调平架包括底法兰 17 和设置在该底法兰17的底面和预留基础环孔2的底面之间的多个垂直设置的微调千斤顶18,且该多个微调千斤顶 18 沿周向均匀设置在底法兰 17 的下方,微调千斤顶 18 的顶部通过图 10 所示的调整螺栓 16 与底法兰 17 联接 ;(而微调千斤顶 18 则如图 13 所示,垂直安装在预留基础环孔2的底面上的沿底法兰圆周21均匀布置的四个预埋支撑钢板22上。)接着测量人员用激光水准仪观测基础环15的偏位情况,随时将结果报给指挥人员,通过调整螺栓16调节各微调千斤顶18的行程实现对基础环15的水平度的调整,并使调平误差小于5mm,基础环15的调平精度满足要求后,经灌浆孔道7向预留桩窝孔3内浇筑二期混凝土,使得管桩8与预制混凝土承台现浇为一整体(即通过海上现浇二期混凝土实现与预制承台套箱混凝土浇筑为一体)),同时向预留基础环孔 2 内浇筑混凝土,完成基础环处的二期混凝土浇筑,从而完成装配式多桩基础的安装。
基于图 5 所示的预埋基础环 15 和预留桩窝孔 3 的预制混凝土的装配式多桩基础的承建方法,其同样包括结合图6、11示意的步骤1)、完成各管桩8安装,将各管桩8桩头切平,使得各管桩8桩顶处于同一水平面,并于各管桩8内设置钢筋笼9且该钢筋笼9的上段部分置于管桩8外,再向该钢筋笼9内浇筑混凝土,形成桩芯混凝土段10、延伸至管桩8顶部外的外延混凝土段 11、连接该桩芯混凝土段 10 与外延混凝土段 11 的过渡段 12,然后在各管桩8顶部搭建支撑平台19,并于该支撑平台19顶部垂直安装粗调平千斤顶14 ;接着进入步骤2)、用1000t浮吊将图5所示的预制混凝土承台提起,使预制混凝土承台底部高于管桩8桩顶1~1. 5 m左右,同时使预留桩窝孔3对准每根管桩8后,缓缓、匀速下放预制混凝土承台,使粗调平千斤顶 14 顶触在混凝土体 1 的底面上(具体是顶触在预留桩窝孔 3附近的混凝土本体 1 的底面上),然后,测量人员用激光水准仪观测预制混凝土承台的偏位情况,随时将结果报给指挥人员,通过调节各粗调平千斤顶 14 的行程实现对预制混凝土承台的水平度的调整,并使调平误差小于 5mm ;最后是步骤 3)、预制混凝土承台的调平精度满足要求后,经灌浆孔道7向预留桩窝孔3内浇筑二期混凝土,使得管桩8与预制混凝土承台现浇为一整体(即通过海上现浇二期混凝土实现与预制承台套箱混凝土浇筑为一体),完成装配式多桩基础的安装。
值得注意的是,以上各装配式多装基础中的基桩涉及的管桩 8 选用的是钢管桩或钢管混凝土桩。
桩芯混凝土段10的高度h≥1.5d,d为管桩8直径 ;管桩8伸入桩帽13内的长度l>d;外延混凝土段 11 的高度 l0>35 ds,ds 为钢筋直径 ;
预制混凝土承台底部处的管桩距离预制混凝土承台的侧端的距离k>0.4d;管桩8伸入预制混凝土承台底部的长度至少是100mm。
由图12可见,管桩8桩顶主筋的分布为喇叭形,主筋与竖直方向的夹角为30°~45°;
在主筋为光圆钢筋时,锚入预制混凝土承台内的主筋的长度大或等于钢筋直径的30 倍 ;在主筋为带肋钢筋时,锚入预制混凝土承台内的主筋的长度大或等于钢筋直径的35 倍。
还需注意 :当桩中距a≤3d时,d为管桩8直径,预制混凝土承台的受力钢筋均匀布置于预制混凝土承台的全宽度内 ;当桩中距 a > 3d 时,预制混凝土承台的受力钢筋均匀布置于距桩中心 1.5d 范围内,在此范围以外应布置配筋率不小于0.1%的构造钢筋。
在吊装预制混凝土承台时,使各吊点同时受力,并应防止预制混凝土承台上的吊耳 4 产生扭曲,吊绳与吊耳 4的水平面所成夹角大或等于 45°。
向预留桩窝孔 3 内浇筑混凝土前,先凿毛预留桩窝孔 3 的内壁或在预留桩窝孔3的内壁预留插筋,以增大新老混凝土的机械咬合力或增强新老混凝土的粘结性能 ;在混凝土浇筑时安排专人预埋测温管,测温管预埋时测温管与钢筋绑扎牢固,以免位移或损坏;测温管用塑料带罩好,绑扎牢固,然后分层浇筑混凝土,每层混凝土的厚度为400mm~500mm,浇筑混凝土时应连续浇筑,间歇时间不超过 2.5h,并通过测温记录与保温覆盖措施使内外温差控制在25度以内,并应防止混凝土产生离析,使骨料粒径小于80mm的三级配混凝土自由下落高度不超过 2m。
综上所述,不难看出装配式多桩基础方案利用陆上预制混凝土承台(预制混凝土承台套箱),代替了传统的钢套箱。预制混凝土承台既是混凝土模板,同时又是重要的承载结构。装配式的多桩基础施工方案与目前海上风电机组中使用的多桩基础(高桩承台基础)施工方案相比,省去了海上支模和拆模工序,同时可以将大量的海上现场钢筋绑扎在陆上预制厂完成,大大提高了施工效率,节省了海上承台施工时间,同时降低了施工成本。同时还具有以下 3 个方面的优点:
(1)质量控制 :砼套箱有很大一部分工作量都放在了陆地施工,可控程度高,不需要钢吊箱常规的水下混凝土封底、承台模板安装、吊箱拆除等工序,避开了水作业诸多的质量、安全风险,有利于质量控制 ;
(2)进度控制 :传统的多桩基础海上施工流程主要包括钢基桩的安装、钢套箱支模、钢筋绑扎、混凝土浇筑、钢套箱拆模,风机安装。装配式多桩基础采用预制混凝土套箱替代钢套箱,砼套箱整体吊装,支撑在基桩顶部,承台钢筋砼施工不需支拆模板,同时预制砼套箱内部钢筋绑扎主要在陆上预制厂完成。节省了钢筋绑扎时间,从而大大加快了海上施工速度。较传统多桩基础可缩短海上施工周期 40% 以上。混凝土套箱的陆上预制采用工厂化施工和管理,可批量生产,可以有效缩短施工时间,增加投入以加快施工进度的效果非常明显 ;
(3)安全控制 :砼套箱预制和现场施工均是在无水状态下,简单容易控制,特别是在海洋气候环境、恶劣天气较多条件下,安全性高。
以上涉及的基础环 2 是指塔筒基础环,预制混凝土本体一般选用圆形混凝土本体。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明,并不构成对本发明的保护范围的限制,凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。