CN103981887B - 一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，筒型基础顶盖沿其外缘设置有向上延伸的反檐，筒型基础顶盖中部设置有环梁，环梁顶部设置有多个沿环向均布的型钢柱，筒型基础中心的正上方设置有节点连接件，节点连接件与每个型钢柱顶部之间连接有型钢梁，每个型钢梁由与节点连接件相接的端部到与所述型钢柱相接的端部向下倾斜。本发明通过型钢梁与型钢柱有效地将上部结构传递下来的较大弯矩，在筒型基础处近似转化为拉力和压力，以发挥筒型基础最大的承载力；通过反檐与环梁之间的加劲肋形成分舱，从而能够对筒型基础施加压载，提高筒型基础承受水平荷载和弯矩的能力。

Description

一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构

技术领域

本发明涉及一种港口、海洋、水利和桥梁工程的基础结构领域，具体的说，是涉及一种在筒型基础上部采用新型传力结构体系，以优化筒型基础受力的基础结构。

背景技术

目前，在海洋工程领域如海上风力发电工程中，基础结构通常有桩基础、重力式基础、导管架式基础、负压基础和浮式平台等形式，这些基础结构通常需要大型机具进行运输和安装，造成施工费用较高，施工周期较长。相比传统基础结构而言，筒型基础由于其造价低廉、施工便捷、使用安全可靠、可回收复用等特点被广泛应用于海洋工程中。

但是，海上风力发电基础结构所处环境十分复杂，所受荷载除了上部结构传递下来的风机塔架等结构重量的竖向力外，还有风荷载传递到基础结构的水平力和弯矩，以及波浪、海流、海冰荷载等。

因此，如何设计合理的基础形式和传力结构体系，将上部荷载安全有效地传递到筒型基础，并最大可能的发挥筒型基础的承载力是筒型基础设计中的一个关键环节。

发明内容

本发明要解决的是现有技术中存在的上述问题，提供一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，通过型钢梁与型钢柱有效地将上部结构传递下来的较大弯矩，在筒型基础处近似转化为拉力和压力，以发挥筒型基础最大的承载力；通过反檐与环梁之间的加劲肋形成分舱，从而能够对筒型基础施加压载，提高筒型基础承受水平荷载和弯矩的能力。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，包括筒型基础，所述筒型基础顶盖沿其外缘设置有向上延伸的反檐，所述筒型基础顶盖中部设置有环梁，所述环梁顶部设置有多个沿环向均布的型钢柱，所述筒型基础中心的正上方设置有节点连接件，所述节点连接件与每个所述型钢柱顶部之间连接有型钢梁，每个所述型钢梁由与所述节点连接件相接的端部到与所述型钢柱相接的端部向下倾斜。

所述筒型基础为钢筋混凝土结构、钢结构、钢-钢筋混凝土组合结构其中的一种。

所述筒型基础的外径为20～40m，高度为8～15m。

所述筒型基础内部设置有多个舱室。

所述环梁外径为所述筒型基础外径的二分之一至四分之三。

所述反檐与所述环梁之间设置有多道径向均布的加劲肋。

所述型钢柱的数量为8～20根。

所述型钢柱与所述型钢梁的截面相同。

所述型钢梁为变截面梁，其截面高度由与所述节点连接件连接的端部到与所述型钢柱连接的端部呈连续变化的逐渐降低。

每个所述型钢梁与水平面的夹角为5～20度。

本发明的有益效果是：

本发明通过型钢梁与型钢柱形成近似拱的受力特点，有效地将上部结构传递下来的较大弯矩，在筒型基础处近似转化为拉力和压力，以发挥筒型基础最大的承载力，有利于增加基础结构体系抗倾覆力矩，提高运输过程中的稳定性；型钢梁相交部分采用节点连接件刚接，共同传递上部荷载，增加结构整体刚度；变截面的型钢梁由于其刚度变化，还能使节点处承受的荷载更加均匀的扩散到筒型基础；通过反檐与环梁之间设置加劲肋形成分舱，既增强了环梁与筒型基础间的连接，增强了整个结构的整体性，又可以对筒型基础施加压载，提高筒型基础承受水平荷载和弯矩的能力。综上，本发明结构形式简单，受力体系清晰，节省材料，降低造价。

本发明在施工中可实现“浮运-下沉-调平”成套技术，基础结构与塔筒及风机在海上整体安装，在施工过程中能够减少大型机具的使用，所需设备简单，海上安装时间仅需数小时，相对于传统基础结构建设周期短、效率高、安全环保，可使海上风电的建设速度大大提高，建造周期显著缩短，极大地降低海上风电场的建设成本，使海上风电更加具备标准化、模块化开发的条件。

附图说明

图1是本发明所提供的大尺度筒型基础结构的主视图；

图2是本发明所提供的大尺度筒型基础结构的剖面图；

图3是本发明所提供的大尺度筒型基础结构的俯视图。

图中：1、节点连接件；2、型钢梁；3、型钢柱；4、环梁；5、加劲肋；6、反檐；7、筒型基础。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1至图3所示，本实施例公开了一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，包括大尺寸的筒型基础7、反檐6、环梁4、型钢柱3、型钢梁2和节点连接件1。

筒型基础7是顶部封闭、底部敞口的一种圆筒状钢结构基础，外径为30m，筒高10m，壁厚30mm，顶盖厚50mm，其内部通过设置分舱板分成多个舱室。筒型基础7的直径通常为20-40m，髙度通常为8-15m；材质可以是钢筋混凝土、钢、钢-钢筋混凝土复合材料；内部可进行分舱处理，也可以不进行分舱处理。

筒型基础7顶盖沿其外缘设置有向上延伸的反檐6。反檐6采用与筒型基础7筒壁等厚的钢板制成环形，其底边与筒型基础7顶盖焊接固定，高出筒型基础7顶盖1m。

筒型基础7顶盖中部设置有环梁4，环梁4起到连接筒型基础7顶盖和型钢柱3的作用，使型钢梁2和型钢柱3传递下来的上部荷载更加均匀地作用在筒型基础上7，优化受力形式。环梁4所构成圆环的圆心与筒型基础7顶盖的圆心一致，其外径为筒型基础7外径的二分之一至四分之三。环梁4底部与筒型基础7顶盖刚接，具体可采用焊接、栓接等方式。环梁4采用H型钢截面，腹板厚度50mm，翼缘厚度35mm，上下翼缘间外贴钢板，钢板厚25mm。环梁4通常可选用钢材或钢筋混凝土，钢制的截面形式可选H型钢、箱梁、或槽钢等。

反檐6与环梁4之间设置有12道径向均布的加劲肋5。每道加劲肋5的厚度为25mm，其两端分别与反檐6和环梁4焊接在一起。加劲肋5将筒型基础7顶盖上部反檐6与环梁4之间的空间分隔成多个舱室，通过在这些舱室处施加压载，增大了整个基础结构的有利荷载，提高了整个基础结构的水平承载力以及抵抗水平弯矩的能力。

环梁4上设置有12个沿环向均布的型钢柱3，型钢柱3与环梁4顶面刚接在一起，可选用焊接、栓接等方式。多个型钢柱3共同连接在环梁4上，可以增强型钢柱3之间的整体作用，增加型钢柱3整体刚度，使其能够更好地传力；同时环梁4在实际施工中实现将型钢柱3与筒型基础7连接成整体的目标。型钢柱3截面形式选H型钢，腹板厚度为50mm，翼缘厚度为35mm，上下翼缘间外贴钢板，钢板厚25mm。型钢柱3通常可以为H型钢、槽钢、箱型、圆桩或其他形式的钢桩，其截面尺寸小于等于环梁4的截面尺寸。根据筒型基础7尺寸的不同，型钢柱3可在环梁4上布置8到20根。

12个型钢梁2将12个型钢柱3在顶部连接在一起，并且在筒型基础7中心的正上方相交，相交部位由节点连接件1连接。型钢梁2的一端与节点连接件1刚接，另一端与型钢柱3顶部刚接，型钢梁2与型钢柱3拼接部位处截面形状和尺寸相同。型钢梁2由与节点连接件1相接的端部到与型钢柱3相接的端部向下倾斜，倾斜角度为8度。这样，型钢柱3、型钢梁2和节点连接件1整体近似构造出拱的受力特点，共同传递上部荷载，以增加基础结构体系的整体刚度。

型钢梁2采用变截面H型钢，与节点连接件1连接处梁高为2m，与型钢柱3连接处梁高为1m，H型钢腹板厚度50mm，翼缘厚35mm，H型钢上下翼缘间用钢板连接，钢板厚25mm。型钢梁2可以选用H型钢、槽钢、箱型梁等，其由上端到下端的倾斜角度通常为5～20度，该角度范围可有效地使型钢梁2传递的部分弯矩转化为轴向力，使型钢柱3和型钢梁2整体更好地构造出拱的受力特点，从而更充分的利用型钢梁2结构的承载力，并将上部结构的竖向位移控制在一个合理范围内，同时避免了材料浪费。型钢梁2的截面形式可以为等截面或者变截面，其中，变截面型钢梁2的截面高度由与节点连接件1连接的端部到与型钢柱3连接的端部逐渐降低，并且截面高度是连续变化的。通过变截面的型钢梁2刚度变化可以使作用在节点连接件1处的荷载更加均匀的扩散到筒型基础7。

节点连接件1为空心圆筒，筒高2m，壁厚50mm，其外壁与12个传力的型钢梁2端部刚接。节点连接件1可采用空心圆筒、型钢梁拼接而成，位于筒型基础7中心上方一定高度，其上部可以通过法兰盘与上部结构进行连接，并将上部结构传递下来的荷载向下传递。

本发明的基础结构可以在陆地上整体拼装后，通过海上漂浮拖航将其整体拖到施工位置，借助自重及负压实现贯入安装，安装完成后与上部风机进行拼装。使用中或使用完毕后还可借助与贯入时反向的气压将所述基础顶升进行回收利用。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，包括筒型基础，其特征在于，所述筒型基础顶盖沿其外缘设置有向上延伸的反檐，所述筒型基础顶盖中部设置有环梁，所述环梁顶部设置有多个沿环向均布的型钢柱，所述筒型基础中心的正上方设置有节点连接件，所述节点连接件与每个所述型钢柱顶部之间连接有型钢梁，每个所述型钢梁由与所述节点连接件相接的端部到与所述型钢柱相接的端部向下倾斜；

所述型钢梁为变截面梁，其截面高度由与所述节点连接件连接的端部到与所述型钢柱连接的端部呈连续变化的逐渐降低；

每个所述型钢梁与水平面的夹角为5～20度。

2.根据权利要求1所述的一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，其特征在于，所述筒型基础为钢筋混凝土结构、钢结构、钢-钢筋混凝土组合结构其中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，其特征在于，所述筒型基础的外径为20～40m，高度为8～15m。

4.根据权利要求1所述的一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，其特征在于，所述筒型基础内部设置有多个舱室。

5.根据权利要求1所述的一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，其特征在于，所述环梁外径为所述筒型基础外径的二分之一至四分之三。

6.根据权利要求1所述的一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，其特征在于，所述反檐与所述环梁之间设置有多道径向均布的加劲肋。

7.根据权利要求1所述的一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，其特征在于，所述型钢柱的数量为8～20根。

8.根据权利要求1所述的一种适用于海洋风电的大尺度筒型基础结构，其特征在于，所述型钢柱与所述型钢梁的截面相同。