CN103967036A - 用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构及其施工方法。本发明的目的是提供一种结构简单、施工方便、成本较低的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，以为桩和套筒提供可靠连接。本发明的技术方案是：一种用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，具有打入海床的钢管桩和套于其上的套筒，其特征在于：所述钢管桩外围制有一圈环形牛腿，所述套筒套于钢管桩外并搁置于环形牛腿上，套筒与钢管桩之间留有间隙，间隙底部置有圆环形土工布袋，所述套筒下端设置有两个分别用于向土工布袋和间隙内灌浆的灌浆接口，套筒与钢管桩之间间隙内和土工布袋内填充高强灌浆材料。本发明适用于海上风力发电领域。

Description

用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构及其施工方法。适用于海上风力发电领域。

背景技术

随着我国风力发电行业的迅速发展，海上风力发电开始快速起步，近几年涌现了大批在建、拟建的海上风电场。海上风电场的风电机组基础、海上升压站基础一般有高桩承台基础、导管架基础、单桩基础等，本发明主要用于导管架基础。

导管架基础分为钢管桩、导管架两部分。钢管桩的数量可以是3根或3根以上，钢管桩首先施工，由海上打桩设备将钢管桩打入海床中。导管架整体在钢结构加工厂制造，整体运输至现场，由起重船吊装后安装在已打好的桩上。导管架与桩连接的部件为套筒，套筒直径较桩稍大，套筒套在桩端外面，套筒与桩之间留有施工安装的间隙。因为桩与导管架最终需共同受力，套筒将上部结构传来的拉力、压力、水平力传递给桩，因此桩和套筒之间需要可靠的连接。本发明解决桩与套筒之间连接的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、施工方便、成本较低的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构及其施工方法，以为桩和套筒提供可靠连接。

本发明所采用的技术方案是：一种用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，具有打入海床的钢管桩和套于其上的套筒，其特征在于：所述钢管桩外围制有一圈环形牛腿，所述套筒套于钢管桩外并搁置于环形牛腿上，套筒与钢管桩之间留有间隙，间隙底部置有圆环形土工布袋，所述套筒下端设置有两个分别用于向土工布袋和间隙内灌浆的灌浆接口，套筒与钢管桩之间间隙内和土工布袋内填充高强灌浆材料。

在钢管桩与套管重合段，钢管桩的外侧和套筒的内侧均设置若干圈剪力键；所述钢管桩与套筒上的剪力键在立面位置错开布置。

所述剪力键采用螺纹钢筋，水平焊接固定于钢管桩和套管上。

所述环形牛腿由固定于钢管桩外围的环形板和连接环形牛腿与钢管桩的锥形板组成。

土工布袋所对应的灌浆接口内设有与土工布袋连通的土工布管。

所述套筒上端设有观察孔，该观察孔距套筒下端面的距离略小于环形牛腿距钢管桩上端面的距离；所述观察孔共三个，互成120度均匀分布在套筒上。

所述套管内侧设置三个用于套管安装导向的导向限位板，导向限位板互成120度均匀布置。

用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构的施工方法，其特征在于步骤如下：

1、首先施打钢管桩，然后安装套筒，在导向限位板的作用下将套筒限定在设计的位置，套筒搁置于环形牛腿上；

2、将灌浆管与连通土工布袋的灌浆接口连接，向土工布袋灌注高强灌浆材料，土工布袋在压力作用下膨胀，在套筒的底部形成封堵，然后关闭灌浆管阀门；

3、将灌浆管与连通套筒与钢管桩之间间隙的灌浆接口连接，向套筒与钢管桩之间的间隙灌注高强灌浆材料，灌浆材料在压力作用下，由底部向上部灌注，逐步向上排水，最后浆液在观察孔处溢出，当3个观察孔都有稳定的浆液溢出时，关闭灌浆管的阀门；

4、将观察孔用环氧砂浆封堵，整个钢管桩与套筒的连接完成，待高强灌浆材料达到设计强度后，钢管桩与套筒的连接可承受上部结构传来的压力、拉力和水平力。

所述土工布袋先于套筒和钢管桩安装前折叠固定于套筒内侧，该土工布袋通过棉线与套筒内侧的剪力键相连。

所述高强灌浆材料为高强度、高流态的细石混凝土材料，由高强水泥、细骨料、粗骨料、减水剂、引气剂、早强剂和水组成，

其中水泥为高强水泥，标号≥52.5；

细骨料为砂；粗骨料为碎石或卵石，粗骨料最大粒径≤15mm；粗、细骨料的原料为硬岩，抗压强度应≥60MPa；

减水剂采用多环芳香族磺酸盐类、水溶性树脂磺酸盐类、脂肪族类、改性土质素磺酸盐类、改性丹宁类减水剂等高效减水剂中的一种或多种；

早强剂采用用硝酸盐、亚硝酸盐、三乙醇胺、甲酸胺、乙酸盐、丙酸盐中的一种或多种。

本发明的有益效果是：

1、在钢管桩外侧设置了环形牛腿，解决了套筒安装时搁置的问题，并用于承担上部结构传来的竖向荷载，由于环形牛腿的设置使应力路径更加流畅，减缓应力集中现象，减缓材料疲劳。

2、在套筒内侧设置有导向限位板，导向限位板用于套筒安装时，限定套筒的位置用，可以避免套筒在安装过程中与钢管桩碰撞，并避免套筒和钢管桩之间的间隙过大或过小。

3、在钢管桩外侧、套筒内侧设置水平剪力键，钢管桩和套筒之间的间隙灌注高强灌浆材料，设置剪力键之后的灌浆体能够很好的承担上部结构传来的各种荷载，包括动力荷载。

4、在套筒底部设置土工布袋，土工布袋在安装前折叠固定在套筒底部，折叠固定方式为采用棉线弱固定，仅保证安装时土工布袋的处于套筒内侧的位置，在向土工布袋内高压灌浆后，土工布袋受压力作用膨胀并拉断棉线，在套筒的底部形成封堵，防止漏浆；土工布袋在灌浆段底部形成了对灌浆材料的包裹，减缓灌浆材料的应力集中现象，减缓材料疲劳。

5、在套筒下端设置灌浆接口，浆液从底部向上灌注，逐步向上排水，保证灌浆的质量，也保证了此连接方法可用于水下施工。

6、连接部位的附属部件全部在工厂内制作，随套筒一起安装，现场仅需要灌注高强灌浆材料，现场作业工序少、时间短，既保证的连接的可靠性，也具有较好的经济性。

附图说明

图1是实施例中钢管桩和套筒连接的横剖面图。

图2是实施例中环形牛腿放大后的横剖面图。

图3是实施例中剪力键布置的平剖面图。

图4是实施例中灌浆接口的详图。

图5是实施例中土工布袋的详图。

图6是实施例中土工布管在灌浆接口内的安装图。

图7是实施例中土工布袋在未灌浆前的安装图(横剖面)。

图8是实施例中土工布袋在未灌浆前的安装图(平剖面)。

具体实施方式

如图1所示，本实施例为一个海上风电场的钢管桩1和套筒2之间的连接结构。钢管桩1外径1219mm壁厚28mm，钢管桩1首先施工，由海上打桩设备打至设计标高。钢管桩1上外围设置有环形牛腿4，环形牛腿4在钢管桩1制造时就已安装在钢管桩1上。导管架在钢管桩1施打完成后再安装，套筒2连接在导管架上，导管架安装时将套筒2套在钢管桩1的外侧，套筒2外径1524mm壁厚36mm。钢管桩1和套筒2之间留有116.5mm的间隙，此间隙用来适应安装误差，也用于充填高强灌浆材料3，间隙底部置有圆环形土工布袋7。本实施例中连接长度共2500mm，即钢管桩1的上端伸入套筒2内的长度共2500mm。在套筒2的上端设有观察孔9(观察孔9距套筒2下端面约2500mm)，观察孔9为直径50mm的圆孔，共3个，互成120度均匀分布在套筒2上。

套筒2安装时搁置在钢管桩1外侧的环形牛腿4上。如图2所示，环形牛腿4由环形板41和锥形板42组成，固定于钢管桩1外围，锥形板42连接钢管桩1和环形板41外边缘，支撑环形板41，其中环形板41和锥形板42的尺寸由安装时套筒2传递给牛腿4的竖向力决定。本实施例环形板41外径1639mm、内径1219mm、厚30mm，锥形板42展开后外径3848mm、内径2970mm、厚28mm。

如图3所示，在钢管桩1与套筒2重合段，钢管桩1的外侧、套筒2的内侧均设置有若干圈剪力键5。剪力键5采用直径20mm的螺纹钢筋，用双侧焊缝水平焊接在钢管桩1、套筒2上。每段剪力键5长度200mm，在套筒2内侧间隔174mm设置，一周共12个；在钢管桩1外侧间隔123mm设置，一周共12个。如图2所示，钢管桩1和套筒2上的剪力键5在立面位置错开设置，钢管桩1上的剪力键5间距250mm，套筒2上的剪力键5最下端的位置分别为50mm、200mm、325mm，之上也是250mm。

本实施例中在套筒2内侧设置有导向限位板8，导向限位板8共3块，互成120度均匀布置在套筒2的内侧。导向限位板8由宽80mm、厚16mm的钢板弯折而成，弯折后距套筒2内壁最大距离80mm，上端留间隙40mm。导向限位板8用于套筒2安装时，限定套筒2的位置用，避免套筒2在安装过程中与钢管桩1碰撞，并避免套筒2和钢管桩1之间的间隙过大或过小。

本例中在套筒2的下端设置有两个灌浆接口6(见图1)，分别距套筒2下端150mm、700mm。下方的灌浆接口6用于向土工布袋7灌浆，上方的灌浆接口6用于向套筒2和钢管桩1之间的间隙灌浆。如图4所示，灌浆接口6由钢管61和接于钢管外端的法兰62组成，钢管61长200mm、外径120mm、内径100mm、厚10mm；法兰62外径300mm、内径100mm、厚20mm，法兰上预钻8个20mm的螺栓孔。

如图5所示，本实施例中土工布袋7为圆环形，外径1452mm，在灌浆接口6的内设有土工布管71。其中土工布袋7宽500mm，用厚质土工布缝制而成；土工布管71直径100mm，长360mm，同样由厚质土工布缝制而成，土工布管71与土工布袋7之间同样采用缝制的方式连接。如图6所示，土工布管71安装在灌浆接口6的内侧，其长于灌浆接口的部分剪开成8份，弯折后用AB胶粘贴在法兰面62上，在法兰面62有螺栓孔的位置也相应的开孔。

本实施例的具体施工方法如下：

1、在现场操作中，首先施打钢管桩1，然后安装套筒2，套筒2在导向限位板8的作用下，将套筒2限定在设计的位置，套筒2搁置于环形牛腿4上；

2、将灌浆管与下部的灌浆接口6的法兰连接，向土工布袋7灌注高强灌浆材料，土工布袋7在压力作用下膨胀，在套筒2的底部形成封堵，防止漏浆，然后关闭下部灌浆接口6的灌浆管的阀门；

3、将灌浆管与上部的灌浆接口6的法兰连接，向套筒2与钢管桩1之间的间隙灌注高强灌浆材料，水泥浆在压力作用下，由底部向上部灌注，逐步向上排水，最后浆液在观察孔9处溢出，当3个观察孔9都有稳定的浆液溢出时，停止灌浆，关闭灌浆管的阀门；

4、将观察孔9用环氧砂浆封堵，整个钢管桩1与套筒2的连接完成，待高强灌浆材料达到设计强度后，钢管桩1与套筒2的连接就可以承受上部结构传来的压力、拉力和水平力。

如图7、图8所示，本实施例中土工布袋7先于套筒2和钢管桩1安装前就折叠固定在套筒2的内侧。套筒2的最下端两圈剪力键5为固定土工布袋7做了特别设计，此处剪力键5采用直径20mm的螺纹钢筋，螺纹钢筋按照套筒2的内径弯折，并与套筒内壁预留1～2mm的间隙，剪力键5与套筒2之间采用间断焊，每90mm焊缝52预留10mm间隙53。用棉线72穿过间隙53将土工布袋7固定在套筒2的内侧，每个间隙53位置绕3圈棉线72。土工布袋7在安装前的折叠固定方式为弱固定，仅保证安装时土工布袋7的处于套筒2内侧的位置，在向土工布袋7内高压灌浆后，土工布袋7受压力作用膨胀，拉断棉线72。

本实施例中高强灌浆材料3为高强度、高流态的细石混凝土材料，由高强水泥、细骨料、粗骨料、减水剂、引气剂、早强剂和水组成。其中水泥为高强水泥，标号52.5；细骨料为砂；粗骨料为碎石，粗骨料最大粒径≤15mm；粗、细骨料的原料应为硬岩；减水剂用多环芳香族磺酸盐类高效减水剂；早强剂用三乙醇胺。

Claims (10)

1.一种用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，具有打入海床的钢管桩(1)和套于其上的套筒(2)，其特征在于：所述钢管桩(1)外围制有一圈环形牛腿(4)，所述套筒(2)套于钢管桩(1)外并搁置于环形牛腿(4)上，套筒(2)与钢管桩(1)之间留有间隙，间隙底部置有圆环形土工布袋(7)，所述套筒(2)下端设置有两个分别用于向土工布袋(7)和间隙内灌浆的灌浆接口(6)，套筒(2)与钢管桩(1)之间间隙内和土工布袋(7)内填充高强灌浆材料(3)。

2.根据权利要求1所述的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，其特征在于：在钢管桩(1)与套管(2)重合段，钢管桩(1)的外侧和套筒(2)的内侧均设置若干圈剪力键(5)；所述钢管桩(1)与套筒(2)上的剪力键(5)在立面位置错开布置。

3.根据权利要求2所述的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，其特征在于：所述剪力键(5)采用螺纹钢筋，水平焊接固定于钢管桩(1)和套管(2)上。

4.根据权利要求3所述的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，其特征在于：所述环形牛腿(4)由固定于钢管桩(1)外围的环形板(41)和连接环形牛腿(4)与钢管桩(1)的锥形板(42)组成。

5.根据权利要求4所述的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，其特征在于：土工布袋(7)所对应的灌浆接口(6)内设有与土工布袋(7)连通的土工布管(71)。

6.根据权利要求5所述的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，其特征在于：所述套筒(2)上端设有观察孔(9)，该观察孔距套筒(2)下端面的距离略小于环形牛腿(4)距钢管桩(1)上端面的距离；所述观察孔(9)共三个，互成120度均匀分布在套筒(2)上。

7.根据权利要求6所述的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，其特征在于：所述套管(2)内侧设置三个用于套管(2)安装导向的导向限位板(8)，导向限位板(8)互成120度均匀布置。

8.根据权利要求7所述用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构的施工方法，其特征在于步骤如下：

8.1、首先施打钢管桩(1)，然后安装套筒(2)，在导向限位板(8)的作用下将套筒(2)限定在设计的位置，套筒搁置于环形牛腿(4)上；

8.2、将灌浆管与连通土工布袋(7)的灌浆接口(6)连接，向土工布袋(7)灌注高强灌浆材料(3)，土工布袋(7)在压力作用下膨胀，在套筒(2)的底部形成封堵，然后关闭灌浆管阀门；

8.3、将灌浆管与连通套筒(2)与钢管桩(1)之间间隙的灌浆接口(6)连接，向套筒(2)与钢管桩(1)之间的间隙灌注高强灌浆材料(3)，灌浆材料在压力作用下，由底部向上部灌注，逐步向上排水，最后浆液在观察孔(9)处溢出，当3个观察孔都有稳定的浆液溢出时，关闭灌浆管的阀门；

8.4、将观察孔(9)用环氧砂浆封堵，整个钢管桩(1)与套筒(2)的连接完成，待高强灌浆材料(3)达到设计强度后，钢管桩与套筒的连接可承受上部结构传来的压力、拉力和水平力。

9.根据权利要求8的施工方法，其特征在于：所述土工布袋(7)先于套筒(2)和钢管桩(1)安装前折叠固定于套筒(2)内侧，该土工布袋通过棉线(72)与套筒(2)内侧的剪力键(5)相连。

10.根据权利要求1或8所述的用于海上风电的桩与套筒灌浆连接结构，其特征在于：所述高强灌浆材料(3)为高强度、高流态的细石混凝土材料，由高强水泥、细骨料、粗骨料、减水剂、引气剂、早强剂和水组成，

其中水泥为高强水泥，标号≥52.5；

细骨料为砂；粗骨料为碎石或卵石，粗骨料最大粒径≤15mm；粗、细骨料的原料为硬岩，抗压强度应≥60MPa；

减水剂采用多环芳香族磺酸盐类、水溶性树脂磺酸盐类、脂肪族类、改性土质素磺酸盐类、改性丹宁类减水剂等高效减水剂中的一种或多种；

早强剂采用用硝酸盐、亚硝酸盐、三乙醇胺、甲酸胺、乙酸盐、丙酸盐中的一种或多种。