CN110424443B - 一种环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，公开了一种环筒钢混组合基础结构及其施工方法，包括中心点连成圆形的多个钢筒基础，多个钢筒基础彼此焊接在一起，多个筒型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；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

一种环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。

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。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。

单个筒型基础直径的增大造成了运输和施工的困难，相对于大直径的筒型基础，小直径的筒型基础制造工艺简单，运输快捷，施工迅速。

发明内容

本发明着力解决的是目前海上基础所受大弯矩荷载以及大直径筒型基础制造拖运难的技术问题，提供一种环筒钢混组合基础结构及其施工方法，结合了小直径钢筒安装方便、造价低廉以及筒型基础承载力高、安装运输方便可回收利用的特点，适用范围广，成本大大降低。

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：

一种环筒钢混组合基础结构，包括多个相同的钢筒基础，多个所述钢筒基础按照其中心点连线在水平面上构成圆形进行排布，多个所述钢筒基础彼此焊接在一起；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内部；

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。

进一步地，所述钢筒基础的数量为5-8个，相邻两个所述钢筒基础通过其筒裙彼此焊接；所述钢筒基础的半径为3-15m，高度为8-15m。

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，均为圆形或正多边形，所述混凝土板的厚度为0.3-1m。

进一步地，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0.2-1.0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1-2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，所述钢制塔筒为变截面等厚钢管，且底部直径大于顶部直径。

一种上述的环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基础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、所述混凝土次梁以及所述混凝土过渡段一同进行浇筑施工；

（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）将所述环筒钢混组合基础结构和所述机头进行浮运拖航；

（5）将所述环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：

本发明的环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，有利于增加环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；每个单筒基础直径小制造方便、运输快捷，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。而各个钢筒之间彼此相互独立，在海上拖运过程中，发生单个钢筒破舱后可以继续平稳拖运，对基础浮运的影响较小。本发明使用多个钢筒彼此焊接而成，可以根据不同的水文条件设计不同的钢筒个数以及排列方式，施工便捷。

本发明的环筒钢混组合基础结构将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，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。

本发明的环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，从而减小环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。

综上，本发明的环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。

本发明的环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是本发明所提供的环筒钢混组合基础结构的立体结构示意图；

图2是本发明所提供的环筒钢混组合基础结构的主视图；

图3是本发明所提供的环筒钢混组合基础结构的俯视图；

图4是本发明所提供的环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。

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环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。

多个相同的钢筒基础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基础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。钢筒基础1的数量应能够组成环形，一般为5-8个。钢筒基础1为钢制圆筒形结构，半径为3-15m，高度为8-15m。

钢顶板2设置于多个钢筒基础1顶部，与钢筒基础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0.2-1.0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1-2倍。内环梁6设置在混凝土板3顶面的圆形通孔边缘处，内环梁6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。

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20-40 m。直线型薄壁结构的混凝土过渡段9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。

上述环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以及混凝土过渡段9一同进行浇筑施工；

（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）将环筒钢混组合基础结构和机头进行浮运拖航；

（5）将环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 (9)

1.一种环筒钢混组合基础结构，包括5-8个相同的钢筒基础，其特征在于，所述钢筒基础按照其中心点连线在水平面上构成圆形进行排布，相邻两个所述钢筒基础通过其筒裙彼此焊接；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内部；

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。

2.根据权利要求1所述的一种环筒钢混组合基础结构，其特征在于，所述钢筒基础的半径为3-15m，高度为8-15m。

3.根据权利要求1所述的一种环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，均为圆形或正多边形，所述混凝土板的厚度为0.3-1m。

4.根据权利要求1所述的一种环筒钢混组合基础结构，其特征在于，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半径的0.2-1.0倍。

5.根据权利要求1所述的一种环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所述的一种环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1-2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。

7.根据权利要求1所述的一种环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所述的一种环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。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的环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基础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、所述混凝土次梁以及所述混凝土过渡段一同进行浇筑施工；

（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）将所述环筒钢混组合基础结构和所述机头进行浮运拖航；

（5）将所述环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。