CN110453713A - 一种带支撑结构的多筒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组合基础结构及其施工方法，基础结构包括按照环形排布且彼此焊接的多个钢筒，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、第一混凝土次梁、第二混凝土次梁，中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

一种带支撑结构的多筒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

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多筒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组合基础结构，包括多个相同的钢筒，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，多个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、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中环梁以内的所述混凝土板顶面上；

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第一混凝土次梁和第二混凝土次梁，所述第一混凝土次梁由所述内环梁延伸至所述中环梁，所述第二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，所述钢筒的数量为3-10个；所述钢筒的半径为3-15m，高度为5-15m，筒壁厚度为10-50mm。

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。

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；所述内环梁位于多个所述钢筒的内切圆内侧，宽度为0.5-2.5m，高度为0.8-1.8m。

进一步地，所述混凝土主梁包括4-8根，所述混凝土主梁宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述第一混凝土次梁在每两根相邻的所述混凝土主梁之间布置有1根；所述第二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。

一种上述带支撑结构的多筒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，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、所述第一混凝土次梁、所述第二混凝土次梁、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的吃水；

(4)将所述多筒组合基础结构和所述机头进行浮运拖航；

(5)将所述多筒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。

本发明的带支撑结构的多筒组合基础结构，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的整体性，能有效地改善施工过程中钢筒间的相互错动等情况，有利于提高施工质量，同时避免钢筒间内力差异过大，从而减小多筒组合基础结构整体的不均匀沉降。

本发明的带支撑结构的多筒组合基础结构，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多筒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多筒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组合基础结构的钢筒布置示意图；

图5是本发明所提供的带支撑结构的多筒组合基础结构中钢筋混凝土梁板体系的结构示意图；

图6是本发明所提供的带支撑结构的多筒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；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；8-1、第一混凝土次梁；8-2、第二混凝土次梁；9、混凝土过渡段；10、支撑结构；10-1、竖梁；10-2、上环梁；10-3、中环梁；10-4、下环梁；10-5、第一斜梁；10-6、第二斜梁；10-7、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多筒组合基础结构，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、第一混凝土次梁8-1、第二混凝土次梁8-2、混凝土过渡段9、支撑结构10。

如图4所示，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3-10个；本实施例以四个钢筒1为例进行说明。钢筒1为钢制圆筒形结构，半径3-15m，高5-15m，筒壁厚度10-50mm。

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1整体的有效连接。

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5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。内环梁7设置在混凝土板3顶面的中环梁5以内位置，一般位于多个钢筒1的内切圆内侧，内径为1.2-6.2m，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、第一混凝土次梁8-1、第二混凝土次梁8-2。混凝土主梁7径向均匀布置在混凝土板3顶面，由内环梁6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4根，相邻混凝土主梁7之间的夹角为90度；混凝土主梁7的宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m。第一混凝土次梁8-1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之间布置有1根，由内环梁7延伸至中环梁5。第二混凝土次梁8-2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之间布置有2根，由中环梁延伸至外环梁。

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5一致；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以上用于连接钢制塔筒，钢制塔筒底端嵌入到混凝土过渡段9上部。

如图6所示，混凝土过渡段9内部设置有支撑结构10，用于增加混凝土过渡段9的承载力。支撑结构包括竖梁10-1、上环梁10-2、中环梁10-3、下环梁10-4、第一斜梁10-5、第二斜梁10-6、第三斜梁10-7，宽度均为0.2-1.2m，高度均为0.2-1.2m。上环梁10-2、中环梁10-3、下环梁10-4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10-1的数量与混凝土主梁7的数量相同，竖梁10-1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10-2；相邻两根竖梁10-1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10-1一共四根，位于混凝土过渡段9内壁，由混凝土过渡段9顶端延伸到混凝土主梁7，间隔90度均匀分布。上环梁10-2顶面与混凝土过渡段9顶部齐平。中环梁10-3设置于混凝土过渡段9的三分之二高度处，下环梁10-4设置于混凝土过渡段9的三分之一高度处。第一斜梁10-5包括四组交叉设置的斜梁，位于上环梁10-2与中环梁10-3之间，由上环梁10-2、中环梁10-3与竖梁10-1交点处延伸而出，两两相交。第二斜梁10-6包括四组交叉设置的斜梁，位于中环梁10-3与下环梁10-4之间，由中环梁10-3、下环梁10-4与竖梁10-1交点处延伸而出，两两相交。第三斜梁10-7包括四组交叉设置的斜梁，位于下环梁10-4与内环梁6之间，由下环梁10-4与竖梁10-1交点处延伸而出，两两相交并止于内环梁6上。

上述带支撑结构的多筒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1，并将多个钢筒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、第一混凝土次梁8-1、第一混凝土次梁8-2、混凝土过渡段9以及混凝土过渡段9内部支撑结构10(竖梁10-1、上环梁10-2、中环梁10-3、下环梁10-4、第一斜梁10-5、第二斜梁10-6、第三斜梁10-7)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9上部安装钢制塔筒和机头，根据拖航要求调节钢筒1的吃水；

(4)将多筒组合基础结构和机头进行浮运拖航；

(5)将多筒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组合基础结构，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，多个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、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中环梁以内的所述混凝土板顶面上；

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第一混凝土次梁和第二混凝土次梁，所述第一混凝土次梁由所述内环梁延伸至所述中环梁，所述第二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多筒组合基础结构，其特征在于，所述钢筒的数量为3-10个；所述钢筒的半径为3-15m，高度为5-15m，筒壁厚度为10-50mm。

3.根据权利要求1所述的一种带支撑结构的多筒组合基础结构，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多筒组合基础结构，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；所述内环梁位于多个所述钢筒的内切圆内侧，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组合基础结构，其特征在于，所述混凝土主梁包括4-8根，所述混凝土主梁宽度为0.5-1.5m，高度为0.8-1.8m；所述第一混凝土次梁在每两根相邻的所述混凝土主梁之间布置有1根；所述第二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多筒组合基础结构，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多筒组合基础结构，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所述带支撑结构的多筒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，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、所述第一混凝土次梁、所述第二混凝土次梁、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的吃水；

(4)将所述多筒组合基础结构和所述机头进行浮运拖航；

(5)将所述多筒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内部的土体进行加固。