CN110397069B - 一种带支撑结构的单筒多舱组合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，公开了一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构及其施工方法，基础结构包括带有分舱结构的钢筒结构，钢筒结构上部连接钢顶板，钢顶板上设置混凝土板，混凝土板顶面设置外环梁、内环梁、混凝土主梁、混凝土次梁，内环梁上部连接混凝土过渡段，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，又可以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

一种带支撑结构的单筒多舱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，是涉及一种单筒多舱组合基础结构及其施工方法。
背景技术
筒型基础也叫吸力锚、气垫式结构，是一种新型的结构形式。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、筒型基础的施工时间短、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。多筒基础的设计结合了重力式结构成本低、承载力强的优点和本身筒型基础的上述优点，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风电基础结构应力集中、成本高、传力体系不合理等的技术问题，提供一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构及其施工方法，针对原有筒型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：
一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构，包括带有分舱结构的钢筒结构，所述钢筒结构连接有钢顶板，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；
所述混凝土板顶面设置有外环梁和内环梁；所述外环梁位于所述混凝土板顶面的外侧边缘处；所述内环梁位于所述混凝土板顶面，并设置于所述混凝土过渡段下部；
所述混凝土板顶面均匀布置有混凝土主梁，所述混凝土主梁穿过所述内环梁，且两端延伸至所述外环梁；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内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，所述支撑结构包括上环梁、中环梁、下环梁、竖梁、斜梁；所述上环梁、所述中环梁、所述下环梁分别位于所述混凝土过渡段的侧壁内表面的顶部、中部和下部；所述竖梁的数量与所述混凝土主梁的数量相同，所述竖梁在所述混凝土过渡段侧壁内表面环向均匀布置，且从下到上由所述混凝土主梁延伸至所述上环梁；相邻两根所述竖梁之间交叉设置有所述斜梁。
进一步地，所述钢筒结构的半径为10-15m，高度为5-15m，筒壁厚度为10-50mm；所述钢筒结构通过分舱板分隔为多个舱室，多个舱室包括一个圆形的中间舱和围在中间舱周边的多个边舱，边舱的数量为1-10个；所述钢筒结构的筒壁和分舱板之间、分舱板和分舱板之间均通过焊接相互连接。
更进一步地，每个所述边舱的顶部沿径向均匀布置有1-12个第一分舱肋板，高度为0.5-2.5m，厚度为10-50mm；所述中间舱沿径向均匀布置有0-8个第二分舱肋板，高度为0.5-2.5m，厚度为10-50mm。
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；所述内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。
进一步地，所述混凝土主梁包括3-10根，所述混凝土主梁宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述混凝土次梁在每两根相邻的所述混凝土主梁之间布置有2-3根。
进一步地，所述支撑结构的所述上环梁、所述中环梁、所述下环梁、所述竖梁、所述斜梁的宽度均为0.2-1.2m，高度均为0.2-1.2m。
进一步地，所述支撑结构的所述上环梁、所述中环梁、所述下环梁分别位于所述混凝土过渡段的侧壁内表面的顶部、三分之二高度处和三分之一高度处；所述斜梁包括第一斜梁、第二斜梁和第三斜梁，所述第一斜梁在所述上环梁和所述中环梁之间两两交叉设置，所述第一斜梁的两端分别连接于所述上环梁与所述竖梁的交点处和所述中环梁与所述竖梁的交点处；所述第二斜梁在所述中环梁和所述下环梁之间两两交叉设置，所述第二斜梁的两端分别连接于所述中环梁与所述竖梁的交点处和所述下环梁与所述竖梁的交点处；所述第三斜梁在所述下环梁和所述内环梁之间两两交叉设置，所述第三斜梁由所述下环梁与所述竖梁的交点处延伸而出并止于所述内环梁。
上述单筒多舱组合基础结构的施工方法，按照如下步骤进行：
(1)陆上预制带有分舱结构的钢筒结构后，将所述钢筒结构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和机头，根据拖航要求调节所述钢筒结构的吃水；
(4)将所述单筒多舱组合基础结构和所述机头进行浮运拖航；
(5)将所述单筒多舱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结构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单筒多舱组合基础结构将带有分舱结构钢筒结构与钢顶板和混凝土板连成整体，有利于增加钢筒结构的抗倾覆力矩，提高运输过程中的稳定性；钢筒结构直接与混凝土板相接以及板梁体系的结合，有效传递和均匀分散上部荷载，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单筒多舱组合基础结构，其混凝土过渡段内部设置支撑结构，使壁厚变薄、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。
综上，本发明的带支撑结构的单筒多舱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单筒多舱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单筒多舱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单筒多舱组合基础结构的结构分解示意图；
图3是本发明所提供的带支撑结构的单筒多舱组合基础结构的主视图；
图4是本发明所提供的带支撑结构的单筒多舱组合基础结构的俯视图；
图5是本发明所提供的带支撑结构的单筒多舱组合基础结构的钢筒结构的分舱示意图；
图6是本发明所提供的带支撑结构的单筒多舱组合基础结构中钢筋混凝土梁板体系的结构示意图；
图7是本发明所提供的带支撑结构的单筒多舱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、钢筒结构；2、钢顶板；3、混凝土板；4、外环梁；5、内环梁；6、分舱板；7、第一分舱肋板；8、第二分舱肋板；9、混凝土主梁；10、混凝土次梁；11、混凝土过渡段；12、支撑结构；12-1、竖梁；12-2、上环梁；12-3、中环梁；12-4、下环梁；12-5、第一斜梁；12-6、第二斜梁；12-7、第三斜梁。
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4所示，本实施例公开了一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构，包括带有分舱结构的钢筒结构1、钢顶板2、混凝土板3、外环梁4、内环梁5、混凝土主梁9、混凝土次梁10、混凝土过渡段11、支撑结构12。
结合图5所示，钢筒结构1的半径为10-25m，高度为5-15m，筒壁厚度为10-50mm。钢筒结构1通过分舱板6分隔为多个舱室，多个舱室包括一个中间舱和围在中间舱周边的多个边舱，中间舱区别于传统蜂窝状六边形，设置为圆形，这样有益于承受更大侧压力而不致变形。钢筒结构1的筒壁和分舱板之间、分舱板和分舱板之间均通过焊接相互连接。分舱板6的高度与钢筒结构1筒壁相同，均为5-15m，厚度为10-50mm。
每两个分舱板6之间在钢筒结构1顶部均匀布置有第一分舱肋板7，第一分舱肋板7沿径向延伸且两端分别焊接于钢筒结构1筒壁和围成中间舱的圆形分舱板6。每个边舱内的第一分舱肋板7的数量为1-12个，高度为0.5-2.5m，厚度为10-50mm。中间舱在钢筒结构1顶部沿径向均匀布置有第二分舱肋板8，第二分舱肋板8的数量为0-8个，高度为0.5-2.5m，厚度为10-50mm。
钢顶板2设置于钢筒结构1顶部，与钢筒结构1的顶部焊接。钢顶板2的形状一般为圆形，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，实现混凝土结构与钢筒结构1的有效连接。
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。
如图6所示，混凝土板3顶面设置有外环梁4和内环梁5。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。内环梁5位于混凝土板3顶面中部，形状为圆环形，内环梁5的内径与钢筒结构1中间舱的直径相同，宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m。钢筒结构1中间舱对应于上方内环梁5位置布置，使结构能承受更大竖向载荷，传力更加合理。
混凝土板3顶面在外环梁4和内环梁5之间连接有混凝土主梁9和混凝土次梁10。混凝土主梁9沿直径方向均匀布置在混凝土板3顶面，穿过内环梁5且两端延伸至外环梁4。在本发明的一种实施例中，混凝土主梁9包括3根，相邻混凝土主梁9之间的夹角为60度；混凝土主梁9的宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m。在每两根相邻的混凝土主梁9之间均匀布置有2根混凝土次梁10。
混凝土板3上部设置有混凝土过渡段11，混凝土过渡段11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11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11的圆环形底面坐落在内环梁5上，其底面的圆环形截面与内环梁5一致；混凝土过渡段11的高度为20-40m。直线型薄壁结构的混凝土过渡段11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结构1上。此外混凝土过渡段11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11以上用于连接钢制塔筒，钢制塔筒底端嵌入到混凝土过渡段11上部。
如图7所示，混凝土过渡段11内部设置有支撑结构12，用于增加混凝土过渡段11的承载力。支撑结构包括竖梁12-1、上环梁12-2、中环梁12-3、下环梁12-4、第一斜梁12-5、第二斜梁12-6、第三斜梁12-7，宽度均为0.2-1.2m，高度均为0.2-1.2m。上环梁10-2、中环梁12-3、下环梁12-4分别位于混凝土过渡段9的侧壁内表面的顶部、中部和下部；竖梁12-1的数量与混凝土主梁7的数量相同，竖梁12-1在混凝土过渡段9侧壁内表面环向均匀布置，且从下到上由混凝土主梁7延伸至上环梁12-2；相邻两根竖梁12-1之间交叉设置有多根斜梁。
在本发明的一种实施方式中，竖梁12-1一共四根，位于混凝土过渡段11内壁，由混凝土过渡段11顶端延伸到混凝土主梁9，间隔90度均匀分布。上环梁12-2顶面与混凝土过渡段11顶部齐平。中环梁12-3设置于混凝土过渡段11的三分之二高度处，下环梁12-4设置于混凝土过渡段11的三分之一高度处。第一斜梁12-5包括四组交叉设置的斜梁，位于上环梁12-2与中环梁12-3之间，由上环梁12-2、中环梁12-3与竖梁12-1交点处延伸而出，两两相交。第二斜梁12-6包括四组交叉设置的斜梁，位于中环梁12-3与下环梁12-4之间，由中环梁12-3、下环梁12-4与竖梁12-1交点处延伸而出，两两相交。第三斜梁12-7包括四组交叉设置的斜梁，位于下环梁12-4与内环梁5之间，由下环梁12-4与竖梁12-1交点处延伸而出，两两相交并止于内环梁5上。
上述带支撑结构的单筒多舱组合基础结构的施工方法，具体按照如下步骤进行：
(1)陆上预制好钢筒结构1，并将钢筒结构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、内环梁5、混凝土主梁9、混凝土次梁10、混凝土过渡段11以及混凝土过渡段11内部支撑结构12(竖梁12-1、上环梁12-2、中环梁12-3、下环梁12-4、第一斜梁12-5、第二斜梁12-6、第三斜梁12-7)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11上部安装钢制塔筒和机头，根据拖航要求调节钢筒结构1的吃水；
(4)将单筒多舱组合基础结构和机头进行浮运拖航；
(5)将单筒多舱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)下沉结束后对钢筒结构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单筒多舱组合基础结构，包括带有分舱结构的钢筒结构，其特征在于，所述钢筒结构连接有钢顶板，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；
所述混凝土板顶面设置有外环梁和内环梁；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；所述内环梁位于所述混凝土板顶面，并设置于所述混凝土过渡段下部；所述内环梁位于所述混凝土板顶面中部，形状为圆环形；
所述混凝土板顶面均匀布置有混凝土主梁，所述混凝土主梁穿过所述内环梁，且两端延伸至所述外环梁；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内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；
所述混凝土过渡段内部设置有支撑结构，所述支撑结构包括上环梁、中环梁、下环梁、竖梁、斜梁；所述上环梁、所述中环梁、所述下环梁分别位于所述混凝土过渡段的侧壁内表面的顶部、中部和下部；所述竖梁的数量与所述混凝土主梁的数量相同，所述竖梁在所述混凝土过渡段侧壁内表面环向均匀布置，且从下到上由所述混凝土主梁延伸至所述上环梁；相邻两根所述竖梁之间交叉设置有所述斜梁。
2.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构，其特征在于，所述钢筒结构的半径为10-15m，高度为5-15m，筒壁厚度为10-50mm；所述钢筒结构通过分舱板分隔为多个舱室，多个舱室包括一个圆形的中间舱和围在中间舱周边的多个边舱，边舱的数量为1-10个；所述钢筒结构的筒壁和分舱板之间、分舱板和分舱板之间均通过焊接相互连接。
3.根据权利要求2所述的一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构，其特征在于，每个所述边舱的顶部沿径向均匀布置有1-12个第一分舱肋板，高度为0.5-2.5m，厚度为10-50mm；所述中间舱沿径向均匀布置有0-8个第二分舱肋板，高度为0.5-2.5m，厚度为10-50mm。
4.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构，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。
5.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构，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单筒多舱组合基础结构，其特征在于，所述外环梁的宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述内环梁宽度为0.5-1.5m，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单筒多舱组合基础结构，其特征在于，所述混凝土主梁包括3-10根，所述混凝土主梁宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述混凝土次梁在每两根相邻的所述混凝土主梁之间布置有2-3根。
8.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构，其特征在于，所述支撑结构的所述上环梁、所述中环梁、所述下环梁、所述竖梁、所述斜梁的宽度均为0.2-1.2m，高度均为0.2-1.2m。
9.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的单筒多舱组合基础结构，其特征在于，所述支撑结构的所述上环梁、所述中环梁、所述下环梁分别位于所述混凝土过渡段的侧壁内表面的顶部、三分之二高度处和三分之一高度处；所述斜梁包括第一斜梁、第二斜梁和第三斜梁，所述第一斜梁在所述上环梁和所述中环梁之间两两交叉设置，所述第一斜梁的两端分别连接于所述上环梁与所述竖梁的交点处和所述中环梁与所述竖梁的交点处；所述第二斜梁在所述中环梁和所述下环梁之间两两交叉设置，所述第二斜梁的两端分别连接于所述中环梁与所述竖梁的交点处和所述下环梁与所述竖梁的交点处；所述第三斜梁在所述下环梁和所述内环梁之间两两交叉设置，所述第三斜梁由所述下环梁与所述竖梁的交点处延伸而出并止于所述内环梁。
10.一种如权利要求1-9任一项所述带支撑结构的单筒多舱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）陆上预制带有分舱结构的钢筒结构后，将所述钢筒结构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钢制塔筒和机头，根据拖航要求调节所述钢筒结构的吃水；
（4）将所述单筒多舱组合基础结构和所述机头进行浮运拖航；
（5）将所述单筒多舱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结构内部的土体进行加固。
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