CN110397064B - 一种组合式环筒导管架基础结构及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋工程的基础结构技术领域，公开了一种组合式环筒导管架基础结构及其施工方法，多个钢筒按照其中心点连线在水平面上构成圆形进行排布，多个钢筒彼此焊接在一起；多个钢筒上部连接钢顶板，钢顶板上设置混凝土板，混凝土板顶面设置外环梁、中环梁、内环梁、混凝土主梁、混凝土次梁；中环梁和内环梁上部连接由立柱、支撑杆和斜杆构成的导管架结构；其施工方法包括陆上预制、岸边调试、水上拖航、负压下沉、负压加固等步骤。本发明兼具有筒型基础和导管架基础的优点，适用范围广、运输安装方便、可回收利用、承载力高，可以将上部风机荷载通过导管架结构传递到混凝土顶板，转换为结构可控的拉压应力，进而传递到下部多个钢筒上。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋工程的基础结构技术领域，具体的说，是涉及一种多筒组合基础结构及其施工方法。
背景技术
目前在海上风电发电领域，风机基础的形式主要有重力式基础，导管架基础，筒型基础，桩基础，浮式基础等。
重力式基础整体依靠结构自重以及其上填料和压载的重量抵抗外荷载，维持结构稳定性，施工原理简明，填料和压载材料成本低，对浅基础而言施工成本也较低；但基础自重和几何尺寸很大，基础占据海床的范围比较广，对地质条件要求较高，因此重力式基础适用水深范围有限，成本高。
导管架基础整体性好，重量轻，结构强度高，承载能力强，受浪流作用较小，施工较简便；但现场作业时间长，且造价随水深的增加呈指数增长，因此导管架基础的适用水深范围也是有限的。
吸力式筒型基础形式简单，承载力强，运输安装简单，回收容易，筒裙抗滑移稳定性较高。但是随着水深的增加，风浪流荷载变大，大弯矩荷载需要的筒型基础直径较大，运输和安装等过程需要大型设备。
发明内容
本发明着力于解决上述技术问题，结合导管架结构适应水深大，筒型基础安装方便、造价低廉、可回收利用的特点，提供一种组合式环筒导管架基础结构及其施工方法，兼具有筒型基础和导管架基础的优点，适用范围广、运输安装方便、可回收利用、承载力高，可以将上部风机荷载通过导管架结构传递到混凝土顶板上，转换为结构可控的拉压应力，进而传递到下部多个钢筒上。
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：
一种组合式环筒导管架基础结构，包括多个相同的钢筒，多个钢筒在水平面上按照其中心点连线能够构成一个正多边形进行排布，多个所述钢筒顶部共同连接有钢顶板，所述钢顶板上部设置有混凝土板；所述钢顶板中心和所述混凝土板中心均开设有圆形通孔，所述圆形通孔与所述钢筒在所述钢顶板和所述混凝土板上的投影不相交；
所述混凝土板顶面设置有外环梁、中环梁、内环梁；所述外环梁位于所述混凝土板顶面的外侧边缘处；所述内环梁设置于所述混凝土板顶面的所述圆形通孔的边缘处；所述中环梁位于所述外环梁和所述内环梁之间；所述混凝土板顶面径向均匀布置有混凝土主梁，所述混凝土主梁由所述内环梁延伸至所述外环梁；所述混凝土板顶面在每两根相邻的所述混凝土主梁之间径向均匀布置有混凝土次梁，所述混凝土次梁由所述中环梁延伸至所述外环梁；
所述中环梁和所述内环梁上部连接有用于安装上部风电设备的导管架结构，所述导管架结构包括多根相同的立柱，多根所述立柱的底部均布在所述中环梁上并与所述中环梁通过法兰连接；相邻两根所述立柱之间连接有支撑杆构成桁架式钢结构；所述立柱下部和所述内环梁之间连接有斜杆。
进一步地，所述钢筒的数量为3-8个；所述钢筒的半径为10-15m，高度为8-12m；相邻两个所述钢筒的净距离为所述钢筒外径的1-3倍。
进一步地，所述钢顶板周边处设置有向上的钢制肋板，所述钢制肋板插入于所述混凝土板和所述外环梁。
进一步地，所述混凝土板与所述钢顶板的轮廓一致，所述混凝土板的厚度为0.3-1m；所述钢顶板中心和所述混凝土板的圆形通孔的半径均为所述钢筒半径的0.5-1.0倍。
进一步地，所述外环梁的外缘与所述混凝土板外缘齐平，且形状与所述混凝土板的边缘一致；所述外环梁的宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述中环梁位于所述混凝土板顶面中部，形状为圆环形，宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述中环梁的外部半径为所述钢筒半径的1.5-2倍；所述内环梁的内径与所述圆形通孔的直径一致，宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m。
进一步地，所述混凝土主梁的宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；相邻所述混凝土主梁之间的夹角为60度；所述混凝土次梁包括12-18根，每两根相邻的所述混凝土主梁之间布置有2-3根所述混凝土次梁，相邻所述混凝土次梁轴线之间的夹角为20-30度。
进一步地，所述多根所述立柱均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜。
一种所述组合式环筒导管架基础结构的施工方法，按照如下步骤进行：
(1)陆上预制多个所述钢筒，并将多个所述钢筒按照其中心点连线在水平面上构成圆形进行排布后彼此焊接在一起，之后将多个所述钢筒与所述钢顶板进行焊接；
(2)将所述钢顶板作为所述混凝土板的底面模板，在所述钢顶板上绑扎钢筋，对所述混凝土板、所述外环梁、所述中环梁、所述内环梁、所述混凝土主梁、所述混凝土次梁一同进行浇筑施工；
(3)所述中环梁和所述内环梁上部连接所述导管架结构；
(4)将上述浇筑施工完成的所述组合式环筒导管架基础结构吊入水中，检查气密性；根据拖航要求调节所述钢筒的吃水；
(5)将所述组合式环筒导管架基础结构和所述机头进行浮运拖航；
(6)将所述组合式环筒导管架基础结构浮运拖航至到指定海域后，先进行自重下沉，再进行负压下沉到指定位置；
(7)下沉结束后对所述钢筒内部的土体进行负压加固。
本发明的有益效果是：
本发明结合了导管架以及筒型基础的优点，上部导管架结构可以根据现场风浪流的条件进行设计。导管架结构基础整体性好，重量轻，结构强度高，承载能力强，受浪流作用较小，施工较简便。吸力式筒型基础形式简单，承载力强，运输安装简单，回收容易，筒裙抗滑移稳定性较高。本发明兼具导管架基础重量轻以及筒型形式简单、运输方便、造价低的特点，可以适用于水深较深、海况恶劣的海域。各个钢筒之间彼此焊接，组成一个刚性整体来抵抗海上风机所受的大弯矩荷载，小直径的钢筒在受到大弯矩情况下，彼此协同受力，刚度较大，变形量小，可以减小沉放过程中的屈曲变形，且可以通过对各个钢筒施加不同的负压对沉放过程中产生的倾角进行调平。本发明的钢筒通过上面的钢顶板、混凝土板连接起来协同受力，且各个钢筒之间通过钢顶板连接，当基础发生倾斜时，通过调节不同钢筒内的负压来实现调平，调节倾角还可以避免导管架结构底部发生变形。
附图说明
图1是本发明所提供的组合式环筒导管架基础结构的立体结构示意图；
图2是本发明所提供的组合式环筒导管架基础结构的主视图；
图3是本发明所提供的组合式环筒导管架基础结构的俯视图；
图4是本发明所提供的组合式环筒导管架基础结构中钢筋混凝土梁板体系的结构示意图；
图5是本发明所提供的组合式环筒导管架基础结构中导管架结构的结构示意图。
图中：1、钢筒；2、钢顶板；3、混凝土板；4、外环梁；5、中环梁；6、内环梁；7、混凝土主梁；8、混凝土次梁；9、立柱；10、支撑杆；11、斜杆。
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组合式环筒导管架基础结构，包括多个相同的钢筒1、钢顶板2、混凝土板3、外环梁4、中环梁5、内环梁6、混凝土主梁7、混凝土次梁8、立柱9、支撑杆10、斜杆11。
多个相同的钢筒1在水平面上按照其中心点连线能够构成一个圆形进行排布，并且每相邻的两个钢筒1彼此焊接在一起，增加基础的整体刚度，减小沉放过程中的屈曲。钢筒1的数量应能够组成环形，一般为3-8个。钢筒1为钢制圆筒形结构，半径为3-15m，高度为8-15m。
钢顶板2设置于多个钢筒1顶部，与钢筒1的顶面焊接。钢顶板2的形状一般为圆形，该圆形与多个钢筒基础1同时相切。钢顶板2的厚度为0.006-0.01m。钢顶板2周边处设置有向上的钢制肋板，钢制肋板的高度与混凝土板3和外环梁4的总高度相同；该钢制肋板用于插入到混凝土板3和外环梁4中，实现混凝土结构与多个钢筒基础1整体的有效连接。钢顶板2中心开设有圆形通孔，用于减小多个钢筒1在水中的下沉阻力；该圆形通孔的范围不延伸到钢筒1所在位置，即圆形通孔与钢筒1在钢顶板2上的投影不相交，钢顶板2中心圆形通孔的半径一般为钢筒1半径的0.5-1.0倍。
钢顶板2上部设置有混凝土板3，混凝土板3与钢顶板2的轮廓一致，混凝土板的厚度为0.3-1m。混凝土板3浇筑于钢顶板2上部，且钢顶板2的钢制肋板向上深入到混凝土板3中，使混凝土板3与钢顶板2结合牢固。混凝土板3中心也开设有圆形通孔，该圆形通孔的半径与钢顶板2上所开设圆形通孔的尺寸一致，同样用于减小多个钢筒1在水中的下沉阻力。
如图4所示，混凝土板3顶面设置有三道环梁，包括外环梁4、中环梁5、内环梁6。外环梁4位于混凝土板3顶面外侧，其外缘与混凝土板3外缘齐平，且形状与混凝土板3的边缘一致；外环梁4宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m。中环梁5位于混凝土板3顶面中部，形状为圆环形，宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；中环梁5的外部半径为钢筒1半径的1.5-2倍。内环梁7设置在混凝土板3顶面的圆形通孔边缘处，内环梁7的内径与该圆形通孔的直径一致，宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m。
混凝土板3顶面在三道环梁之间连接有混凝土主梁7和混凝土次梁8。混凝土主梁7径向均匀布置在混凝土板3顶面，由内环梁7延伸至外环梁4。在本发明的一种实施例中，混凝土主梁7包括6根，相邻混凝土主梁7之间的夹角为60度；混凝土主梁7的宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m。混凝土次梁8径向均匀布置在混凝土板3顶面的每两根相邻的混凝土主梁7之间，由中环梁5延伸至外环梁4。在本发明的一种实施例中，混凝土次梁8包括12-18根，每两根相邻的混凝土主梁7之间布置有2-3根混凝土次梁8，相邻混凝土次梁8轴线之间的夹角为20-30度。
中环梁5和内环梁6上部连接导管架结构，导管架结构用于连接上部风电设备。在本发明的一种实施方式中，如图5所示，导管架结构由四根相同的立柱9、若干支撑杆10、八根斜杆11构成，导管架结构整体高度为50m。立柱10的钢管外径为0.5m，厚度为5mm。四根立柱9的底部在中环梁5上环向均布，即四根立柱9底端连线构成正方形，并且每根立柱9的底部通过法兰与中环梁5连接，四根立柱9均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜，表观倾斜角度为80-85度。若干支撑杆10连接在每相邻两根立柱9之间，构成桁架式钢结构。支撑杆10的钢管外径为0.3m，厚度为3mm。每相邻两根立柱9之间还设置有一组(两根)斜杆11，每组斜杆11以倒三角形形式设置，每组的两根斜杆11上端分别连接于两根立柱9，两根斜杆11下端交汇在一起并与内环梁6相连，四个连接点环向均布于内环梁6，四个连接点连线构成正方形。故中环梁5的半径为内环梁6的半径的倍。导管架结构有助于将上部荷载传到混凝土梁板体系中，进而分散到多个钢筒1上。此外导管架结构整体性好，受风浪影响较小，且结构强度大，有利于承受外界荷载。
上述组合式环筒导管架基础结构的施工方法，具体按照如下步骤进行：
(1)陆上预制好多个钢筒基础1，并将多个钢筒基础1按照其中心点连线在水平面上构成圆形进行排布后彼此焊接在一起，之后将多个钢筒基础1与钢顶板2进行焊接；
(2)将钢顶板2作为混凝土板3的底面模板，在钢顶板2上绑扎钢筋，对混凝土板3、外环梁4、中环梁5、内环梁6、混凝土主梁7、混凝土次梁8一同进行浇筑施工；
(3)在中环梁5和内环梁6上部连接导管架结构，包括立柱10、支撑杆11、斜杆12；
(3)将上述浇筑施工完成的组合式环筒导管架基础结构吊入水中，检查气密性；根据拖航要求调节钢筒1的吃水；
(4)将组合式环筒导管架基础结构进行浮运拖航；
(5)将组合式环筒导管架基础结构浮运拖航至到指定海域后，先利用基础结构自重进行自重下沉，再通过负压对基础结构进行负压下沉，下沉到指定位置；下沉过程可以通过泵系统对基础结构进行调平；
(6)下沉结束继续抽一段时间负压，对钢筒1内部的土体进行加固。
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 (7)
1.一种组合式环筒导管架基础结构，包括多个相同的钢筒，其特征在于，多个所述钢筒按照其中心点连线在水平面上构成圆形进行排布，并且每相邻的两个所述钢筒彼此焊接在一起；多个所述钢筒顶部共同连接有钢顶板，所述钢顶板上部设置有混凝土板，所述混凝土板与所述钢顶板的轮廓一致；所述钢顶板中心和所述混凝土板中心均开设有圆形通孔，所述圆形通孔与所述钢筒在所述钢顶板和所述混凝土板上的投影不相交；
所述混凝土板顶面设置有外环梁、中环梁、内环梁；所述外环梁位于所述混凝土板顶面的外侧边缘处；所述内环梁设置于所述混凝土板顶面的所述圆形通孔的边缘处；所述中环梁位于所述外环梁和所述内环梁之间；所述混凝土板顶面径向均匀布置有混凝土主梁，所述混凝土主梁由所述内环梁延伸至所述外环梁；所述混凝土板顶面在每两根相邻的所述混凝土主梁之间径向均匀布置有混凝土次梁，所述混凝土次梁由所述中环梁延伸至所述外环梁；
所述钢顶板周边处设置有向上的钢制肋板，所述钢制肋板插入于所述混凝土板和所述外环梁；
所述中环梁和所述内环梁上部连接有用于安装上部风电设备的导管架结构，所述导管架结构包括多根相同的立柱，多根所述立柱的底部均布在所述中环梁上并与所述中环梁通过法兰连接；相邻两根所述立柱之间连接有支撑杆构成桁架式钢结构；所述立柱下部和所述内环梁之间连接有斜杆。
2.根据权利要求1所述的一种组合式环筒导管架基础结构，其特征在于，所述钢筒的数量为3-8个；所述钢筒的半径为10-15m，高度为8-12m。
3.根据权利要求1所述的一种组合式环筒导管架基础结构，其特征在于，所述混凝土板的厚度为0.3-1m；所述钢顶板中心和所述混凝土板的圆形通孔的半径均为所述钢筒半径的0.5-1.0倍。
4.根据权利要求1所述的一种组合式环筒导管架基础结构，其特征在于，所述外环梁的外缘与所述混凝土板外缘齐平，且形状与所述混凝土板的边缘一致；所述外环梁的宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述中环梁位于所述混凝土板顶面中部，形状为圆环形，宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述中环梁的外部半径为所述钢筒半径的1.5-2倍；所述内环梁的内径与所述圆形通孔的直径一致，宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m。
5.根据权利要求1所述的一种组合式环筒导管架基础结构，其特征在于，所述混凝土主梁的宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；相邻所述混凝土主梁之间的夹角为60度；所述混凝土次梁包括12-18根，每两根相邻的所述混凝土主梁之间布置有2-3根所述混凝土次梁，相邻所述混凝土次梁轴线之间的夹角为20-30度。
6.根据权利要求1所述的一种组合式环筒导管架基础结构，其特征在于，所述多根所述立柱均由下至上以相同的角度向基础结构中心倾斜。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述组合式环筒导管架基础结构的施工方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
（1）陆上预制多个所述钢筒，并将多个所述钢筒按照其中心点连线在水平面上构成圆形进行排布后彼此焊接在一起，之后将多个所述钢筒与所述钢顶板进行焊接；
（2）将所述钢顶板作为所述混凝土板的底面模板，在所述钢顶板上绑扎钢筋，对所述混凝土板、所述外环梁、所述中环梁、所述内环梁、所述混凝土主梁、所述混凝土次梁一同进行浇筑施工；
（3）所述中环梁和所述内环梁上部连接所述导管架结构；
（4）将上述浇筑施工完成的所述组合式环筒导管架基础结构吊入水中，检查气密性；根据拖航要求调节所述钢筒的吃水；
（5）将所述组合式环筒导管架基础结构和机头进行浮运拖航；
（6）将所述组合式环筒导管架基础结构浮运拖航至到指定海域后，先进行自重下沉，再进行负压下沉到指定位置；
（7）下沉结束后对所述钢筒内部的土体进行负压加固。
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