CN108442401A - 一种组合式海上风机基础结构 - Google Patents

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漆文刚
高福平
徐凯
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    • E02D27/00—Foundations as substructures
    • E02D27/32—Foundations for special purposes
    • E02D27/42—Foundations for poles, masts or chimneys
    • E02D27/425—Foundations for poles, masts or chimneys specially adapted for wind motors masts
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

本发明实施例涉及一种组合式海上风机基础结构，包括：桶形基础(1)、单桩基础(2)、环梁结构(3)、剪力键(4)和肋板(5)；所述桶形基础(1)的上表面的中心位置通过所述环梁结构(3)和所述剪力键(4)设置于所述单桩基础(2)上，所述桶形基础(1)的下表面内腔环向等间距设置有多组肋板(5)。由此，可以实现显著提升基础整体刚度和抗倾覆能力。

Description

一种组合式海上风机基础结构
技术领域
本发明实施例涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种组合式海上风机基础结构。
背景技术
中国的海上风能资源丰富，海上风机的装机容量增长迅速。海上风机的单机容量一般较大，导致其体型巨大，轮毂处高度达100米，整体高度可达150米，使得海上风机成为典型的高耸结构。由于风浪流等荷载的作用，海上风机基础结构承受非常大的水平力和弯矩荷载作用。对于一台典型的3.5MW海上风机，其所受的竖向荷载为6MN，水平荷载为4MN(风荷载约为1MN，波流产生的水动力荷载约为1MN±2MN)，弯矩荷载高达120MN·m(相当于4MN的水平荷载作用于距床面30m高度处，风荷载约占75％)。可以看出基础所受的水平力与竖向力基本相当，这在传统的海洋工程结构(如海洋平台)中非常少见。一般而言，竖向承载的要求比较容易满足；但是风机对倾斜变形的要求非常严苛，倾斜角度一般不能超过0.5°，如何有效地抵御水平荷载及其诱导的弯矩荷载是一个极具挑战的问题。
海上风机基础结构型式多样，包括重力式基础、单桩基础、导管架基础、三脚架基础、高桩承台基础等。大直径单桩基础具有结构型式简单、设计与制造简便以及施工周期短等优点，是当前海上风机最为常用的基础型式，占到全球已建成海上风机基础的70％以上。然而，单桩基础的抗倾覆能力较差，随着海上风机单机容量的增大，必然导致单桩基础尺寸(外径、壁厚、入土深度)增加，最终使得材料成本、制造成本、运输及安装成本大幅升高。
相较于工程中以往常用的桩基基础，大直径单桩基础的核心特点是桩基直径较大(一般可达5-8m)，远大于一般常用的桩基直径。较大的桩基直径使得桩基具有更小的长径比(L/D≈5-8，L为桩基埋深)，而DNV规范中给出的桩基最大冲刷深度可达1.3D，因而桩基冲刷深度可达桩基埋深的25％。桩基局部冲刷会减小桩基埋深，增大水平荷载的偏心距，影响冲刷后桩基周围剩余土体的应力历史，这些因素综合产生的不利影响主要有：(1)极大的削弱桩基的水平承载能力，影响上部风机的运行安全；(2)减小桩基的自振频率，使得桩基自振频率与波浪的高频部分频率接近，进而导致波浪作用下的桩基动力响应更为剧烈；(3)使得桩基表面固定海底电缆的附属结构J-tube发生悬跨，影响其结构安全。
目前工程中常用的冲刷防护措施是抛石方法，即将一定尺寸范围内的石块抛入海中，达到保护桩基附近床面、避免冲刷坑出现的目的。但是抛石在波浪、海流的长期作用下易发生破坏，需要定期进行水下检查,一旦发生破坏，需要重新抛石。因此，现有的冲刷防护方法存在一定的不足。
发明内容
本发明实施例提供了一种组合式海上风机基础结构，可以实现显著提升基础整体刚度和抗倾覆能力。
第一方面，本发明实施例提供一种组合式海上风机基础结构，其特征在于，包括：桶形基础1、单桩基础2、环梁结构3、剪力键4和肋板5；
所述桶形基础1的上表面的中心位置通过所述环梁结构3和所述剪力键4设置于所述单桩基础2上，所述桶形基础1的下表面内腔环向等间距设置有多组肋板5。
在一个可能的实施方式中，所述桶形基础1的上表面与海床表面平齐，所述桶形基础1的入土深度为3-6m。
在一个可能的实施方式中，所述桶形基础1的外径的计算公式为：
其中，d为桶形基础的外径，D为桩基直径，S为冲刷坑的深度，φ为海床土的内摩擦角。
在一个可能的实施方式中，所述桶形基础1的外径与所述冲刷坑的外径相等。
在一个可能的实施方式中，所述桶形基础1的上表面的中心位置通过所述环梁结构3和所述剪力键4设置于所述单桩基础2上，包括：
所述桶形基础1的上表面的中心位置设置有所述环梁结构3，所述环梁结构3与所述单桩基础2通过所述剪力键4灌浆连接。
在一个可能的实施方式中，所述环梁结构3的高度为1-3m，厚度为0.5-2m。
在一个可能的实施方式中，所述肋板5的形状为等腰三角形，所述肋板5的数量为8-16个。
在一个可能的实施方式中，所述肋板5的高度为所述桶形基础1入土深度减去所述桶形基础1的壁厚，所述肋板5的厚度为0.1-0.5m。
在一个可能的实施方式中，所述桶形基础1的外径小于所述环梁结构3内径的10～50cm。
本发明实施例提供的组合式海上风机基础结构，桶形基础顶盖防止单桩基础迎流侧的马蹄涡和背流侧的尾迹涡直接作用于海床土体，避免单桩基础周围土体颗粒的起动运移和局部冲刷坑的形成；防冲刷效果持久，无需定期检查维护，基础结构的承载力和动力特性在服役期间不发生较大改变；基础的整体刚度和抗倾覆能力较单桩基础大幅提高，有效减小风机结构的水平位移，使得基础整体结构设计得到优化，减小材料成本和施工成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种组合式海上风机基础结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种组合式海上风机基础结构的俯视图；
桶形基础-1，单桩基础-2，环梁结构-3，剪力键-4，肋板-5。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明实施例提供的一种组合式海上风机基础结构的结构示意图，如图1所示，该基础结构具体包括：
桶形基础1、单桩基础2、环梁结构3、剪力键4和肋板5；
所述桶形基础1的上表面的中心位置通过所述环梁结构3和所述剪力键4设置于所述单桩基础2上，所述桶形基础1的下表面内腔环向等间距设置有多组肋板5。
可选地，所述桶形基础1的上表面与海床表面平齐，所述桶形基础1的入土深度为3-6m。
可选地，所述桶形基础1的外径的计算公式为：
其中，d为桶形基础的外径，D为桩基直径，S为冲刷坑的深度，φ为海床土的内摩擦角。
例如，桶形基础1可以是薄壁桶形基础，外径为为27.5m，高度为3m，顶盖和侧壁厚度为300mm的混凝土结构。
可选地，所述桶形基础1的外径与所述冲刷坑的外径相等。
可选地，所述桶形基础1的上表面的中心位置通过所述环梁结构3和所述剪力键4设置于所述单桩基础2上，包括：
所述桶形基础1的上表面的中心位置设置有所述环梁结构3，所述环梁结构3与所述单桩基础2通过所述剪力键4灌浆连接。
例如，环梁结构3可以是高度为2m，厚度为1m，内径为5.4m的混凝土结构。单桩基础2可以是直径为5m，壁厚为60mm，长为40m的钢制圆筒结构。
可选地，所述环梁结构3的高度为1-3m，厚度为0.5-2m。
可选地，所述肋板5的形状为等腰三角形，所述肋板5的数量为8-16个。
图2为本发明实施例提供的一种组合式海上风机基础结构的俯视图，例如，筒型基础1腔内环向等距布设8组加强肋板5，肋板高度为2.7m，厚度为300mm。
可选地，所述肋板5的高度为所述桶形基础1入土深度减去所述桶形基础1的壁厚，所述肋板5的厚度为0.1-0.5m。
可选地，所述桶形基础1的外径小于所述环梁结构3内径的10～50cm。
本发明实施例提供的组合式海上风机基础结构，桶形基础顶盖防止单桩基础迎流侧的马蹄涡和背流侧的尾迹涡直接作用于海床土体，避免单桩基础周围土体颗粒的起动运移和局部冲刷坑的形成；防冲刷效果持久，无需定期检查维护，基础结构的承载力和动力特性在服役期间不发生较大改变；基础的整体刚度和抗倾覆能力较单桩基础大幅提高，有效减小风机结构的水平位移，使得基础整体结构设计得到优化，减小材料成本和施工成本。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种组合式海上风机基础结构，其特征在于，包括：桶形基础(1)、单桩基础(2)、环梁结构(3)、剪力键(4)和肋板(5)；
所述桶形基础(1)的上表面的中心位置通过所述环梁结构(3)和所述剪力键(4)设置于所述单桩基础(2)上，所述桶形基础(1)的下表面内腔环向等间距设置有多组肋板(5)。
2.根据权利要求1所述的风机基础结构，其特征在于，所述桶形基础(1)的上表面与海床表面平齐，所述桶形基础(1)的入土深度为3-6m。
3.根据权利要求1所述的风机基础结构，其特征在于，所述桶形基础(1)的外径的计算公式为：
其中，d为桶形基础的外径，D为桩基直径，S为冲刷坑的深度，φ为海床土的内摩擦角。
4.根据权利要求3所述的风机基础结构，其特征在于，所述桶形基础(1)的外径与所述冲刷坑的外径相等。
5.根据权利要求1所述的风机基础结构，其特征在于，所述桶形基础(1)的上表面的中心位置通过所述环梁结构(3)和所述剪力键(4)设置于所述单桩基础(2)上，包括：
所述桶形基础(1)的上表面的中心位置设置有所述环梁结构(3)，所述环梁结构(3)与所述单桩基础(2)通过所述剪力键(4)灌浆连接。
6.根据权利要求5所述的风机基础结构，其特征在于，所述环梁结构(3)的高度为1-3m，厚度为0.5-2m。
7.根据权利要求1所述的风机基础结构，其特征在于，所述肋板(5)的形状为等腰三角形，所述肋板(5)的数量为8-16个。
8.根据权利要求7所述的风机基础结构，其特征在于，所述肋板(5)的高度为所述桶形基础(1)入土深度减去所述桶形基础(1)的壁厚，所述肋板(5)的厚度为0.1-0.5m。
9.根据权利要求1所述的风机基础结构，其特征在于，所述桶形基础(1)的外径小于所述环梁结构(3)内径的10～50cm。
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