CN110397067A - 一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程的基础结构技术领域，公开了一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构及其施工方法，多个钢筒基础上部连接钢顶板，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，中环梁上部连接混凝土过渡段，混凝土过渡段的上部设置钢制塔筒，混凝土过渡段内部设置支撑结构；其施工方法包括陆上预制、岸边吊装、水上拖航、负压下沉、负压加固等步骤。本发明兼具重力式基础和筒型基础的优点，适用范围广、运输安装方便、可回收利用、承载力高，既可以作为顶承式结构，通过钢制塔筒和直线型过渡段，将上部风机荷载转换为结构可控的拉压应力，又可以作为重力式结构，通过自身的重力来抵抗上部荷载。

Description

一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构及其施工方法

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。

筒型基础也叫吸力锚、气垫式结构，与传统的桩基础相比，有节省施工安装的费用、便于运输和安装、能够重复使用、施工时间短、施工所需的勘察研究简单等优点，因此拥有广泛的应用前景。筒型基础可分为单筒基础、多筒基础和复合筒型基础。多筒基础的设计在保留筒型基础本身优点的基础上，结合了重力式结构成本低、承载力强的优点，然而随着水深的加深，上部荷载变大，筒型基础自重变大，在传力过程中也容易出现应力集中。

发明内容

本发明着力解决的是目前海上基础结构荷载传递不够合理，过渡段局部应力集中及施工安装复杂的技术问题，提供一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构及其施工方法，针对原有多筒基础结构进行优化设计，使其壁厚变薄、自重变轻、传力体系更合理、应力集中现象更少、安装运输方便、适用范围广、成本更低。

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：

一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，包括多个相同的钢筒基础，多个所述钢筒基础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，多个所述钢筒基础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基础在所述钢顶板和所述混凝土板上的投影不相交；所述混凝土板上部设置有混凝土过渡段，所述混凝土过渡段为圆环截面的直线型薄壁结构，且底部圆环直径大于顶部圆环直径；所述混凝土过渡段的上部设置有钢制塔筒，所述钢制塔筒底部嵌在所述混凝土过渡段顶部；

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；所述中环梁位于所述混凝土板顶面的中部，并设置于所述混凝土过渡段下部；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；

所述混凝土过渡段内部设置有支撑结构，所述支撑结构包括位于下部的两根第一肋横梁和位于上部的两根第二肋横梁，两根所述第一肋横梁相互垂直设置，两根所述第二肋横梁相互垂直设置，两根所述第一肋横梁的交接处与两根所述第二肋横梁的交接处之间连接有一根肋竖梁，两根所述第一肋横梁的端部与所述内环梁之间连接有四根肋斜梁。

进一步地，所述钢筒基础的数量为3-6个；所述钢筒基础的半径为10-15m，高度为8-12m；相邻两个所述钢筒基础的净距离为所述钢筒基础外径的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钢筒基础1半径的0.5-1.0倍。

进一步地，所述混凝土过渡段为等厚结构，其壁厚为0.5-1.5m，中间分布有预应力钢绞线。

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；所述中环梁的半径为所述钢制塔筒半径的1.5-2.5倍；所述内环梁的内径与所述圆形通孔的直径一致，宽度为0.5-2.5m，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，所述钢制塔筒为变截面等厚钢管，且底部直径大于顶部直径。

进一步地，所述第一肋横梁位于所述混凝土过渡段的三分之一高度处，所述第二肋横梁位于所述混凝土过渡段的三分之二高度处；所述第一肋横梁、所述第二肋横梁、所述肋竖梁、所述肋斜梁宽度均为0.2-1.2m，高度均为0.2-1.2m。

一种上述带支撑结构的多筒钢混组合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基础，并将多个所述钢筒基础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后，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、所述混凝土过渡段以及混凝土过渡段内部支撑结构一同进行浇筑施工；

(3)将上述浇筑施工完成的整体结构吊入水中，检查气密性，在所述混凝土过渡段上安装所述钢制塔筒，并在所述钢制塔筒上安装机头，根据拖航要求调节所述钢筒基础的吃水；

(4)将所述多筒钢混组合基础结构和所述机头进行浮运拖航；

(5)将所述多筒钢混组合基础结构和所述机头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；

(6)下沉结束后对所述钢筒基础内部的土体进行加固。

本发明的有益效果是：

本发明的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构将多个单筒基础通过钢顶板和混凝土板连成整体，有利于增加多筒钢混组合基础结构的抗倾覆力矩，提高运输过程中的稳定性；混凝土板与板梁体系的结合，有效传递和均匀分散上部荷载，减少过渡段处的局部应力集中，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，结构受力体系清晰；混凝土过渡段采用现浇工艺，为整体式结构，共同传递上部荷载，增加结构整体刚度，节省材料，降低造价。

本发明的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，其钢顶板、混凝土板与混凝土过渡段的连接增强了多个钢筒基础的整体性，能有效地改善施工过程中钢筒基础间的相互错动等情况，有利于提高施工质量，同时避免钢筒基础间内力差异过大，从而减小多筒钢混组合基础结构整体的不均匀沉降，钢顶板和混凝土板中间圆形通孔的设置减小了多个钢筒基础在水中的下沉阻力，便于施工。

本发明的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，其混凝土过渡段内部设置支撑结构，支撑结构和混凝土过渡段结合起来，上部荷载一部分通过混凝土过渡段传递到钢顶板、混凝土板和下部钢筒基础中，一部分通过支撑结构传递到钢顶板、混凝土板和下部钢筒基础中。这样，可以有效地传递和均匀分散上部荷载，减少过渡段处的局部应力集中现象，改善了荷载的受力和传力体系。

综上，本发明的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构兼具重力式基础和筒型基础的优点，适用范围广、运输安装方便、可回收利用、承载力高，既可以作为顶承式结构，通过钢制塔筒和直线型过渡段，将上部风机荷载转换为结构可控的拉压应力，又可以作为重力式结构，通过自身的重力来抵抗上部荷载。

本发明的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构在施工中可实现“陆上预制-浮运-拖航-下沉-调平”技术，浇筑质量可靠，没有打桩等冲击荷载，施工过程中避免了在海上使用起重设备等大型机械，减少了施工的工序，降低了由于海洋环境快速恶劣变化带来的海上作业难度及风机受损风险，所需设备简单，安全有效，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、质量好、安全性高，大幅降低海上风电施工和风机安装成本。

附图说明

图1是本发明所提供的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构的立体结构示意图；

图2是本发明所提供的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构的主视图；

图3是本发明所提供的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构的俯视图；

图4是本发明所提供的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构中钢筋混凝土梁板体系的结构示意图；

图5是本发明所提供的带支撑结构的多筒钢混组合基础结构中混凝土过渡段内部支撑结构的结构示意图。

图中：1、钢筒基础；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、混凝土过渡段；10、钢制塔筒；11、第一肋横梁；12第二肋横梁、；13、肋竖梁；14、肋斜梁。

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带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，包括多个相同的钢筒基础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、混凝土过渡段9、钢制塔筒10、第一肋横梁11、第二肋横梁12、肋竖梁13、肋斜梁14。

多个相同的钢筒基础1相互独立，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，并在上部共同与钢顶板2焊接。钢筒基础1的数量一般为3-6个；钢筒基础1为钢制圆筒形结构，半径为10-15m，高度为8-12m。相邻两个钢筒基础1的净距离为钢筒基础1外径的1-3倍。

钢顶板2设置于多个钢筒基础1顶部，与钢筒基础1的顶面焊接。钢顶板2的形状由相邻钢筒基础1截面圆形的外公切线和外公切线之间的圆弧线段围成，每个圆弧线段的圆心投影与钢筒基础1截面圆形的圆心在水平面上为同一点。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，用于减小多个钢筒基础1在水中的下沉阻力；该圆形通孔的范围不延伸到钢筒基础1所在位置，即圆形通孔与钢筒基础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基础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基础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的半径为钢制塔筒11半径的1.5-2.5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0.5-2.5m，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。

混凝土板3上部设置有混凝土过渡段9，混凝土过渡段9为圆环截面的直线型薄壁结构，且底部圆环直径大于顶部圆环直径。混凝土过渡段9为等厚结构，其壁厚为0.5-1.5m，中间分布有预应力钢绞线。混凝土过渡段9的圆环形底面坐落在中环梁5上，其底面的圆环形截面与中环梁一致；混凝土过渡段9的高度为20-40m。直线型薄壁结构的混凝土过渡段10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基础1上。此外混凝土过渡段9增加了整个结构的自重，使整个结构可以利用自重来抵抗一部分水平的荷载。

混凝土过渡段9以上连接有钢制塔筒10，钢制塔筒10底端嵌入到混凝土过渡段9上部。

如图5所示，混凝土过渡段9内部设置有支撑结构，用于增加混凝土过渡段9的承载力。支撑结构包括第一肋横梁11、第二肋横梁12、肋竖梁13、肋斜梁14，第一肋横梁11、第二肋横梁12、肋竖梁13、肋斜梁14的宽度均为0.2-1.2m，高度均为0.2-1.2m。第一肋横梁11包括两根，两根第一肋横梁11在平面上相互垂直，且均设置于混凝土过渡段的三分之一高度处。第二肋横梁12包括两根，两根第一肋横梁11在平面上相互垂直，且均设置于混凝土过渡段的三分之二高度处。两根第一肋横梁11的交接处与两根第二肋横梁12的交接处之间连接有一根肋竖梁13。两根第一肋横梁11的四个顶点延伸出四根肋斜梁14与混凝土板3顶面的内环梁6相连接，四根肋斜梁14均匀分布且在水平方向上以90度间隔。

上述带支撑结构的多筒钢混组合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后，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、混凝土过渡段9以及混凝土过渡段9内部支撑结构(第一肋横梁11、第二肋横梁12、肋竖梁13、肋斜梁14)一同进行浇筑施工；

(3)将上述浇筑施工完成的整体结构吊入水中，检查气密性，在混凝土过渡段9上部安装钢制塔筒10，并在钢制塔筒10上安装机头，根据拖航要求调节钢筒基础的吃水；

(4)将多筒钢混组合基础结构和机头进行浮运拖航；

(5)将多筒钢混组合基础结构和机头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；

(6)下沉结束后对钢筒基础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 (10)

1.一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，包括多个相同的钢筒基础，多个所述钢筒基础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，其特征在于，多个所述钢筒基础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基础在所述钢顶板和所述混凝土板上的投影不相交；所述混凝土板上部设置有混凝土过渡段，所述混凝土过渡段为圆环截面的直线型薄壁结构，且底部圆环直径大于顶部圆环直径；所述混凝土过渡段的上部设置有钢制塔筒，所述钢制塔筒底部嵌在所述混凝土过渡段顶部；

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；所述中环梁位于所述混凝土板顶面的中部，并设置于所述混凝土过渡段下部；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；

所述混凝土过渡段内部设置有支撑结构，所述支撑结构包括位于下部的两根第一肋横梁和位于上部的两根第二肋横梁，两根所述第一肋横梁相互垂直设置，两根所述第二肋横梁相互垂直设置，两根所述第一肋横梁的交接处与两根所述第二肋横梁的交接处之间连接有一根肋竖梁，两根所述第一肋横梁的端部与所述内环梁之间连接有四根肋斜梁。

2.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，其特征在于，所述钢筒基础的数量为3-6个；所述钢筒基础的半径为10-15m，高度为8-12m；相邻两个所述钢筒基础的净距离为所述钢筒基础外径的1-3倍。

3.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，其特征在于，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钢筒基础1半径的0.5-1.0倍。

5.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，其特征在于，所述混凝土过渡段为等厚结构，其壁厚为0.5-1.5m，中间分布有预应力钢绞线。

6.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，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；所述中环梁的半径为所述钢制塔筒半径的1.5-2.5倍；所述内环梁的内径与所述圆形通孔的直径一致，宽度为0.5-2.5m，高度为0.8-1.8m。

7.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，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。

8.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，其特征在于，所述钢制塔筒为变截面等厚钢管，且底部直径大于顶部直径。

9.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒钢混组合基础结构，其特征在于，所述第一肋横梁位于所述混凝土过渡段的三分之一高度处，所述第二肋横梁位于所述混凝土过渡段的三分之二高度处；所述第一肋横梁、所述第二肋横梁、所述肋竖梁、所述肋斜梁宽度均为0.2-1.2m，高度均为0.2-1.2m。

10.一种如权利要求1-9所述带支撑结构的多筒钢混组合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基础，并将多个所述钢筒基础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后，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、所述混凝土过渡段以及混凝土过渡段内部支撑结构一同进行浇筑施工；

(3)将上述浇筑施工完成的整体结构吊入水中，检查气密性，在所述混凝土过渡段上安装所述钢制塔筒，并在所述钢制塔筒上安装机头，根据拖航要求调节所述钢筒基础的吃水；

(4)将所述多筒钢混组合基础结构和所述机头进行浮运拖航；

(5)将所述多筒钢混组合基础结构和所述机头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；

(6)下沉结束后对所述钢筒基础内部的土体进行加固。