CN110055960A - 用于海上风电桩式基础的破冰消浪组合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于海上风电桩式基础的破冰消浪组合装置，安装在竖向的钢管桩上，钢管桩的外壁上沿周向设有上环板和下环板；破冰消浪组合装置包括破冰锥、多个破冰刃以及套筒，破冰锥呈环形，破冰刃上开有多个消浪孔，所有破冰刃竖向、间隔地固定在破冰锥上，破冰锥套设在套筒的外壁上，套筒套设在钢管桩外侧，位于上环板和下环板之间，并与钢管桩之间滑动连接；套筒的顶部沿周向设有多个第一伸缩弹簧，底部沿周向设有多个第二伸缩弹簧。本发明的有益之处在于，结构简单，锥体体积小，且垂直高度小于其所在海域的平均高潮位与平均低潮位之差；可以随潮位自适应变化，有效减少在有冰期间承受的冰荷载，以及无冰期间所承受的波浪荷载。

Description

用于海上风电桩式基础的破冰消浪组合装置

技术领域

本发明涉及海上风电工程技术领域，具体涉及一种用于海上风电桩式基础的破冰消浪组合装置。

背景技术

我国渤海及黄海北部海域的风能储备密度大，如秦皇岛、曹妃甸和蓬莱等一系列环渤海地区。然而，在渤海及黄海北部海域的冬季，与巨大风能储备相伴随的是大面积海冰作用的威胁。

由于渤海及黄海北部海域的海洋环境复杂多变，海上风电基础会受到多种荷载的作用，冰荷载和波浪荷载同时成为海洋结构物的重要控制荷载。目前，我国海上风电基础的破冰设计主要借鉴海上石油平台破冰锥的设计理念，在桩身潮差范围内加装锥体结构，冰与锥体相互作用时能够将海冰的破坏模式由挤压破坏改变为弯曲破坏，从而使得海冰作用在结构上的荷载大幅度降低。然而在无冰期，由于冰锥的存在加大了基础的水线面面积，波浪荷载急剧增加，同样威胁着海上风电桩式基础的安全。如何设计破冰结构，在冰荷载减小与波浪荷载增加的矛盾中寻找制衡点，成为有冰海域风电基础设计中亟待解决的关键技术问题。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的是提供一种用于海上风电桩式基础的破冰消浪组合装置，可以有效减少在有冰期间承受的冰荷载，以及无冰期间所承受的波浪荷载。

本发明提供了一种用于海上风电桩式基础的破冰消浪组合装置，安装在竖向的钢管桩上，所述钢管桩的外壁上沿周向设有垂直于所述钢管桩轴向的上环板和下环板；所述破冰消浪组合装置包括破冰锥、多个破冰刃以及套筒，所述破冰锥呈环形，所述破冰刃上开有多个消浪孔，所有所述破冰刃竖向、间隔地固定在所述破冰锥上，所述破冰锥套设在所述套筒的外壁上，所述套筒套设在所述钢管桩外侧，位于所述上环板和下环板之间，并与所述钢管桩之间滑动连接；所述套筒的顶部沿周向设有多个与所述上环板固定连接的第一伸缩弹簧，底部沿周向设有多个与所述下环板固定连接的第二伸缩弹簧，所述第一伸缩弹簧和第二伸缩弹簧的长度方向均平行于所述套筒的轴向。

优选地，所述破冰锥的垂直高度小于其所在海域的平均高潮位与平均低潮位之差。

优选地，所述套筒外侧设有环形加强环，所述环形加强环与所有所述破冰刃固定连接。

优选地，所述钢管桩的外壁上沿周向均匀地设有多个竖向的导轨，所述套筒的内壁上沿周向均匀地设有多个与所述导轨相配合的滑块，所述滑块与导轨之间滑动连接。

优选地，所述导轨和滑块的数量均为4个。

优选地，所述第二伸缩弹簧一端固定在所述套筒底部，另一端固定连接有挡圈，所述挡圈套设在所述钢管桩外侧，并与所述下环板固定连接。

优选地，所述第一伸缩弹簧和第二伸缩弹簧的数量均为4个。

优选地，沿所述钢管桩的周向设有多个加劲板，所述加劲板分别与所述钢管桩、下环板固定连接。

本发明的有益之处在于，

1.本发明的破冰消浪组合装置与钢管桩的焊接组装工序均可在陆上完成，在有效保证加工质量的同时缩短了海上作业时间，提升了海上作业效率；破冰消浪组合装置与钢管桩之间通过滑块与竖向导轨的装配实现滑动连接，与传统抱箍、焊接、螺栓及灌浆的连接方式相比，连接工序更加简单，此外还设置了对破冰消浪组合装置起到支撑和缓冲作用的第一和第二伸缩弹簧，与现有公开的动力装置相比，伸缩弹簧的结构更简单，技术方案实现难度低。

2.破冰消浪组合装置在重力、浮力、伸缩弹簧的弹力以及波浪或海冰等环境荷载的共同作用下，可以以较小的加速度沿导轨竖向滑动，在无冰期，破冰消浪组合装置能够通过上下滑动来缓冲并消散波浪荷载；在有冰期，破冰消浪组合装置能够随着潮位升降，使得破冰结构恰能在最佳破冰位置，改善破冰效果。

3.与传统的锥面式破冰结构相比，由于破冰消浪组合装置能够适应潮位变化沿导轨竖向滑动，破冰锥的垂直高度可以相应降低；通过在破冰锥上固定多个破冰刃，破冰锥的径向和垂向距离也可以相应缩短，因此本发明的破冰结构在不降低破冰效果的基础上具有更小的锥体体积，在无冰期，较小的锥体体积可以有效降低锥面所承受的波浪荷载，同时破冰刃上的消浪孔也能对入射波浪起到扰动消能作用。

4.与传统的纯冰刃式破冰结构相比，在有冰期，海冰与本发明破冰消浪组合装置的破冰刃接触破碎后，碎冰会继续沿着破冰锥的锥面爬升，形成二次碎冰，且碎冰不会在桩式基础的周围大量堆积，从而有效抑制冰激振动，提升装置的安全稳定性。

附图说明

图1是本发明破冰消浪组合装置的主视图；

图2是图1中A处的放大图；

图3是本发明破冰消浪组合装置的俯视图；

图4是套筒与钢管桩滑动连接部分的剖面图；

元件标号说明：

1 钢管桩

11 导轨

12 上环板

13 下环板

14 加劲板

2 套筒

21 滑块

3 破冰锥

4 破冰刃

41 消浪孔

5 环形加强环

61 第一伸缩弹簧

62 第二伸缩弹簧

63 挡圈

B1 平均高潮位

B2 平均低潮位

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1、图3和图4所示，本发明提供了一种用于海上风电桩式基础的破冰消浪组合装置，该装置安装在竖向的钢管桩1上，钢管桩1的外壁上沿周向设有垂直于钢管桩1轴向的上环板12和下环板13，其中上环板12固定在下环板13的上方。本发明的破冰消浪组合装置包括破冰锥3、多个破冰刃4和套筒2，破冰锥3呈环形，破冰刃4上开有多个消浪孔41，可以减小无冰期波浪荷载对本发明装置的影响。所有破冰刃4设置为竖向，且等间隔地固定在破冰锥3上。参考图1，破冰刃4呈<型，中间部分向外侧凸出，与破冰锥3的锥面形状相配合。环形加强环5分别固定在破冰刃4的外侧凸出处以及内侧凹陷处，实现所有破冰刃4的整体连接以及与破冰锥3之间的过渡连接，增强破冰刃4的受力性能。环形加强环5可以采用管状结构。

破冰锥3套设在套筒2的外壁上，具体地破冰锥3的垂直高度小于其所在海域的平均高潮位B1与平均低潮位B2之差。套筒2套设在钢管桩1的外侧，位于上环板12和下环板13之间，并与钢管桩1之间滑动连接。具体地，钢管桩1的外壁上沿周向均匀地设有多个竖向的导轨11，套筒2的内壁上沿周向均匀地设有多个与导轨11相配合的滑块21，滑块21与导轨11之间滑动连接。如图4所示，可优选地采用互相配合的T型滑块和T型导轨，当然本领域技术人员也可采用其他能实现滑动连接的配合形状。导轨11和滑块21的数量优选地为4 个。沿钢管桩1的周向还优选地设有多个加劲板14，加劲板14分别与钢管桩1、下环板13 固定连接，以增加套筒2的结构强度。

如图1和图2所示，在套筒2的顶部沿周向设有多个与上环板12固定连接的第一伸缩弹簧61，底部沿周向均匀地设有多个与下环板13固定连接的第二伸缩弹簧62，具体地第一伸缩弹簧61和第二伸缩弹簧62的数量均为4个，且长度方向均平行于套筒2的轴向。在具体实施中，第二伸缩弹簧62的一端固定在套筒2底部，另一端固定连接有挡圈63，挡圈63套设在钢管桩1的外侧，并与下环板13固定连接。挡圈63的设置有利于确定伸缩弹簧6的安装位置，同时也便于套筒2与钢管桩1的安装定位。

以下为本发明的一个优选施工方式：

(1)在陆地上将破冰刃4焊接在破冰锥3上，完成破冰锥3、第一伸缩弹簧61、第二伸缩弹簧62、挡圈63、滑块21与套筒2焊接组装，同时将下环板13、加劲板14及竖向导轨 11焊接在钢管桩1上；

(2)钢管桩1沉桩；

(3)将套筒2由钢管桩1的顶部套入，使得套筒2内壁的滑块21与钢管桩1外壁的导轨11相配合，套筒2带动第二伸缩弹簧62及挡圈63沿着导轨11滑至设计高程；

(4)在钢管桩1上焊接上环板12，将第一伸缩弹簧61与上环板12焊接连接，挡圈63与下环板13焊接连接。

综上所述，本发明的有益之处在于：

1.本发明的破冰消浪组合装置与钢管桩1的焊接组装工序均可在陆上完成，在有效保证加工质量的同时缩短了海上作业时间，提升了海上作业效率；破冰消浪组合装置与钢管桩1 之间通过滑块21与竖向导轨11的装配实现滑动连接，与传统抱箍、焊接、螺栓及灌浆的连接方式相比，连接工序更加简单，此外还设置了对破冰消浪组合装置起到支撑和缓冲作用的第一和第二伸缩弹簧，与现有公开的动力装置相比，伸缩弹簧的结构更简单，技术方案实现难度低。

2.破冰消浪组合装置在重力、浮力、伸缩弹簧的弹力以及波浪或海冰等环境荷载的共同作用下，可以以较小的加速度沿导轨竖向滑动，在无冰期，破冰消浪组合装置能够通过上下滑动来缓冲并消散波浪荷载；在有冰期，破冰消浪组合装置能够随着潮位升降，使得破冰结构恰能在最佳破冰位置，改善破冰效果。

3.传统的锥面式破冰结构固定在钢管桩1上，为了适应有冰期的潮位变化，锥体的垂直高度需大于其所在海域的平均高潮位B1与平均低潮位B2之差，同时为了保证破冰效果，径向距离也需足够长，由此使得破冰结构的锥体体积较大，加大了基础的水线面面积，在无冰期所承受的波浪荷载急剧增加，威胁着海上风电桩式基础的安全。与传统的锥面式破冰结构相比，由于破冰消浪组合装置能够适应潮位变化沿导轨竖向滑动，破冰锥3的垂直高度可以相应降低，设置为小于其所在海域的平均高潮位B1与平均低潮位B2之差；通过在破冰锥3 上固定多个破冰刃4，破冰锥3的径向和垂向距离也可以相应缩短，因此本发明的破冰结构在不降低破冰效果的基础上具有更小的锥体体积，在无冰期，较小的锥体体积可以有效降低锥面所承受的波浪荷载，同时破冰刃4上的消浪孔41也能对入射波浪起到扰动消能作用。

4.与传统的纯冰刃式破冰结构相比，在有冰期，海冰与本发明破冰消浪组合装置的破冰刃4接触破碎后，碎冰会继续沿着破冰锥3的锥面爬升，形成二次碎冰，且碎冰不会在桩式基础的周围大量堆积，从而有效抑制冰激振动，提升装置的安全稳定性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于海上风电桩式基础的破冰消浪组合装置，安装在竖向的钢管桩(1)上，其特征在于，所述钢管桩(1)的外壁上沿周向设有垂直于所述钢管桩(1)轴向的上环板(12)和下环板(13)；所述破冰消浪组合装置包括破冰锥(3)、多个破冰刃(4)以及套筒(2)，所述破冰锥(3)呈环形，所述破冰刃(4)上开有多个消浪孔(41)，所有所述破冰刃(4)竖向、间隔地固定在所述破冰锥(3)上，所述破冰锥(3)套设在所述套筒(2)的外壁上，所述套筒(2)套设在所述钢管桩(1)外侧，位于所述上环板(12)和下环板(13)之间，并与所述钢管桩(1)之间滑动连接；所述套筒(2)的顶部沿周向设有多个与所述上环板(12)固定连接的第一伸缩弹簧(61)，底部沿周向设有多个与所述下环板(13)固定连接的第二伸缩弹簧(62)，所述第一伸缩弹簧(61)和第二伸缩弹簧(62)的长度方向均平行于所述套筒(2)的轴向。

2.根据权利要求1所述的破冰消浪组合装置，其特征在于，所述破冰锥(3)的垂直高度小于其所在海域的平均高潮位与平均低潮位之差。

3.根据权利要求1所述的破冰消浪组合装置，其特征在于，所述套筒(2)外侧设有环形加强环(5)，所述环形加强环(5)与所有所述破冰刃(4)固定连接。

4.根据权利要求1所述的破冰消浪组合装置，其特征在于，所述钢管桩(1)的外壁上沿周向均匀地设有多个竖向的导轨(11)，所述套筒(2)的内壁上沿周向均匀地设有多个与所述导轨(11)相配合的滑块(21)，所述滑块(21)与导轨(11)之间滑动连接。

5.根据权利要求4所述的破冰消浪组合装置，其特征在于，所述导轨(11)和滑块(21)的数量均为4个。

6.根据权利要求1所述的破冰消浪组合装置，其特征在于，所述第二伸缩弹簧(62)一端固定在所述套筒(2)底部，另一端固定连接有挡圈(63)，所述挡圈(63)套设在所述钢管桩(1)外侧，并与所述下环板(13)固定连接。

7.根据权利要求1所述的破冰消浪组合装置，其特征在于，所述第一伸缩弹簧(61)和第二伸缩弹簧(62)的数量均为4个。

8.根据权利要求1所述的破冰消浪组合装置，其特征在于，沿所述钢管桩(1)的周向设有多个加劲板(14)，所述加劲板(14)分别与所述钢管桩(1)、下环板(13)固定连接。