CN111197318A - 用于风力涡轮机的塔架的地基 - Google Patents

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Abstract

用于风力涡轮机的塔架的地基。用于具有至少三根柱的风力涡轮机塔架的地基针对各个柱(3)包括一个加强的混凝土桩，各个柱(3)附接到其对应桩(5)。在桩(5)内部布置有螺栓笼(7)和主加强件(6)，主加强件(6)由水平环(6a)和竖直杆(6b)的圆柱形框架形成。螺栓笼(7)以小于0.1米的径向距离布置在主加强件(6)内部。不浇注混凝土，直至形成三个钻孔并且加强件和笼被放置并协调，因为必须协调三个螺栓笼(7)的位置。

Description

用于风力涡轮机的塔架的地基
技术领域
本发明涉及一种用于风力涡轮机的地基，该风力涡轮机的塔架由管状上部以及由至少三根柱及其对应对角撑和水平附接物构成的下部形成。塔架的附接建立在三个独立且等距的地基上，各个基底附接到其对应柱。
背景技术
与塔架与其地基之间的附接有关的技术在现有技术中有充分描述。地基基本上由大型混凝土圆盘组成，该大型混凝土圆盘在其中心部分具有螺栓笼或连接箍(用于金属塔架)或加强件束锚具(用于混凝土塔架)。这些螺栓连接或加强件束锚具从地基突出并用于连接塔架(即，对于金属塔架，与其下端周围的凸缘，对于混凝土塔架，与张拉的加强件束)。
专利EP2108836公开了加强的混凝土地基，其就地制备并具有在混凝土地基上方向上突出的钢部件。在放置塔架(无论是金属还是混凝土塔架)的节段时，钢部件穿过圆柱形节段，从而构成塔架与地基之间的附接。在该专利中，增加了用更高质量的预制混凝土制成的连接元件，从而减少了组装时间。
在专利EP2192238中，特别之处在于第二组金属元件相对于塔架的纵向方向以0以外的角度布置。所述第二组金属元件也穿过凸缘并通过固定元件固定到凸缘。
风力涡轮机地基通常为重力的(风力涡轮机的稳定性基于地基的质量的解决方案)。仅在非常差的地形中沿着圆盘的轮廓使用桩以通过将地基连接到更稳定的地层来实现必要的稳定性。该操作通常增加地基的成本，因为需要使用主圆盘(将塔架的载荷分布到桩的桩承台)和桩二者。
此外，桩或深地基技术被用于许多应用，特别是在施工中。垂直柱被放置在地里，传递载荷的元件连接在该垂直柱上。就地基而言，它是为差的、潮湿的或淹没的土壤中的地基开发的，其中由于地形的承载力低或者随时间由于地形上持续的压力而可能产生下沉，明置地基不可行。
锚定到海底的海上结构(夹套)的地基通常使用桩技术。在这种情况下，桩是金属管。在海上结构中，地基与结构之间通过两根管附接。一根管是桩，另一根管是结构的腿之一，通常将一个插入到另一个中并在它们之间包括砂浆。
其示例有：专利EP2495370，代替打桩然后通过灌浆、型锻或焊接来连接结构的腿(桩较大，腿较小)，其通过套筒用作引导件以与腿相同的角度将桩引入地里；以及专利US4812080，其承载结构或夹套通过打入地里的中空腿被锚定在海床中，并且描述了一种在将承载结构或夹套布置在海床中之后从外部平台锚定腿的方法。这通过套筒在穿过套筒和腿的内部引导的腿和桩中实现。
WO9616233A1和US5826387A公开了一种地基，其具有桩以支撑诸如高压塔架以及甚至风力涡轮机的高塔架。该地基是通过波纹金属管内部和外部界定的大尺寸的中空混凝土圆筒。在混凝土内部布置有螺栓笼，螺栓笼的螺栓通过中空PVC管可滑动地容纳，以防止螺栓与混凝土之间粘附，因此允许其张拉。
发明内容
本发明的目的在于提供一种如权利要求中限定的地基以用于获得陆上塔架的安置。
为此，遵循这样的制造过程：在地形中钻至少三个孔，引入使混凝土一致(consistent)的主加强件，添加与塔架的凸缘构成附接的螺栓笼，并且在最后步骤中将混凝土浇注在整个组件上。
螺栓笼和混凝土的主加强件在径向上彼此非常靠近(优选距离小于0.1米)，使得当混凝土凝固时，两个元件就好像它们物理附接一样，从而在使用中传递塔架的拉伸载荷。它们也可在浇注混凝土之前通过附接元件附接。
形成本发明的地基的桩被协调以使得在将塔架与地基连接时，它被完美定位并且从地基突出的金属元件(螺栓笼的上部)毫不费力地穿过塔架的凸缘的通孔。
本发明的地基的优点在于：
桩的压缩强度由其尖端抵靠下基板的受压强度加上侧表面与壁之间的摩擦力之和提供。桩的拉伸强度仅仅由侧表面与壁之间的摩擦力提供。
本发明的地基对于所考虑的塔架配置(包括柱、对角撑和水平撑的结构)具有很高的成本竞争力，因为塔架的柱基本上传递垂直载荷，因此其不需要向桩传递载荷的任何另外的桩承台。所得的桩每一个包括介于1米和2米之间的直径和介于20米和40米之间的深度。因此，所述桩利用全球提供的专用机械容易地且非常快速地(每天1桩–每三天1地基)构造，这使得风电场的安装速率非常块。
此外，实现混凝土和金属材料的巨大节省(加强件中以及螺栓笼中)。如果用于160米高金属塔架的传统地基使用600m3体积的混凝土，则本发明的解决方案在相同高度的塔架的地基中仅使用150m3。加强件中所使用的金属材料从100吨减少到15吨，并且螺栓笼可减小为高度小于1米并且直径接近1米。
附图说明
下面非常简要地描述帮助更好地理解本发明并且明确涉及作为其非限制性示例呈现的本发明的实施方式的一系列附图。
图1描绘了利用根据本发明的地基锚定到地面的风力涡轮机。
图2A示意性地示出锚定到图1的地基的桩的风力涡轮机的塔架的下部。
图2B以将风力涡轮机的柱之一锚定到地基的桩之一的横截面的形式示出细节。
图3A示出加强件与图2B的螺栓笼的附接的俯视图。
图3B示出图3A的主加强件与螺栓笼的附接根据线AA’的横截面
图4A描绘了具有三个桩的本发明的地基的实施方式。
图4B是图4A的桩之一的放大图，其中附接元件协调三个桩。
图5示出图2A的桩之一遵循桩的对称轴的截面，其一旦组装过程结束就锚定到风力涡轮机的对应柱，但没有描绘混凝土。
图6示出本发明的桩之一的另一实施方式的截面。
具体实施方式
如图1所示，能够由本发明的地基支撑在地面4的水平面上的风力涡轮机包括在其上部的短舱、转子和叶片1以及由上管状部分2和下部形成的塔架，所述下部由包括优选垂直的三根柱3的三角形结构形成。
图2A描绘了风力涡轮机的包括三根柱3的三角形结构以及其通过加强的混凝土桩5安置在地面4中，所述桩5在构成风力涡轮机的塔架的三个腿的柱3之后延伸。桩5布置在地面4的水平面下方。风力涡轮机的柱3可以是型材，例如IPN、UPN、UPL、IPE、HEA、HEB型等的型材，或者其也可以是中空或实心圆杆。
在各个桩5的内部布置有由水平环6a和竖直杆6b形成的主加强件6，水平环6a和竖直杆6b彼此附接从而形成沿着桩5的整个长度延伸的圆柱形框架。
各个桩(5)内部还包括螺栓笼7，其布置在主加强件6内部的上部并且径向距离小于0.1米，优选距离介于0.05和0.1米之间(例如，如可在图3B中看到的)，以使得当混凝土凝固时，元件就好像它们物理附接一样，从而使得在使用中由塔架生成的拉伸载荷从螺栓笼7传递到主加强件6并最终传递到混凝土。如可在图3B中看到的，在本发明的优选实施方式中，主加强件6靠近桩5的外轮廓布置并且螺栓笼7布置在主加强件6内部。
在本发明的优选实施方式中，主加强件6的高度与布置有桩5的凹坑的深度相同，如可在图3B中看到的。
可在图2B中描绘的截面细节中更详细地看到一个桩5与对应柱3之间的附接。
可在所述图2B中看出：
-桩5的上部如何从地面4的水平面突出，并且
-螺栓笼7继而如何从桩5的上部突出，使得螺栓笼7的从桩5突出的部分穿过包括在风力涡轮机的柱3中的凸缘8。
各个螺栓笼7的上部包括上接箍9a，由螺纹杆组成的金属元件穿过该上接箍9a，所述元件形成螺栓笼7(例如，如可在图5中看到的)。所述上接箍9a适合于与风力涡轮机的柱3的凸缘8协作，使得从桩5突出的螺栓笼7的金属元件穿过上接箍9a和对应凸缘8，从而允许例如使用容纳在突出的笼7的金属元件的伸出部分中并压在风力涡轮机的凸缘8上的螺母或类似手段将风力涡轮机的柱3固定或锚定到对应桩5。
可在图2B中看到上接箍9a如何布置在对应桩5的加强的混凝土上方并支撑于其上，使得所述上接箍9a暴露，即，其未被埋在混凝土中，因此可见。
将螺栓笼7集成在桩5中生成连接，该连接允许结构(在这种情况下，风力涡轮机的塔架)以可逆方式组装和拆卸，这是迄今为止所使用的被设计用于永久地连接(传统上，通过桩承台)到要支撑的结构的传统桩中不存在的功能。
然而，可选地，各个桩5的螺栓笼7和对应加强件也可通过附接元件来附接，其在浇注混凝土之前放置。在本发明的优选实施方式中，各个桩5的螺栓笼7和主加强件6通过系杆(ties)10附接，所述系杆10在构成主加强件6的水平环6a和竖直杆6b的框架与布置在螺栓笼7的下部的下接箍9b之间延伸。接合系杆10的材料优选为金属，但不排除其它材料。
可选地，各个桩5的主加强件6可包括两部分，下半部和上半部，使得当两个半部彼此附接时，形成完整的加强件。该加强件配置在制备如稍后将描述的地基时是有利的。
在本发明的变型中，各个桩5可包括辅加强件6’，其优选也由形成圆柱形框架的竖直杆6b’和水平环6a’形成，以进一步增加混凝土稠度。在该实施方式中，辅加强件6’布置在螺栓笼7内部，如图6所示，径向距离优选小于0.1米。螺栓笼7的这种夹层布置方式允许更均匀且有效地传递由塔架生成的拉伸载荷，从而进一步增加凝固的混凝土的刚度。
在该实施方式中，辅加强件6’的高度高于(优选略大于)嵌入在混凝土内部的螺栓笼7的截面(例如，高大约0.5米)。比主加强件6短的辅加强件6’在底部弯曲以附接到主加强件6，主加强件6仍优选为笔直的并平行于桩5的外轮廓。主加强件6和辅加强件6’通过优选水平布置的接合系杆10’附接，接合系杆10’可单独布置或成对布置。所述接合系杆10’布置在主加强件6和辅加强件6’的竖直杆6b,6b’之间，优选等距间隔开，如图6所示。接合系杆10’的材料优选为金属，但不排除其它材料。
制备本发明的地基的方法如下。标记要形成钻孔或凹坑的点。所述钻孔的直径与现有技术的地基的钻孔相比较小，并且非常深。在非限制性示例中，孔(或钻孔)的直径将为约1.5m并且深度将达到25m或更大。该方法开始于钻第一孔。一旦完成，就引入主加强件6，将其放置在孔的外围。由于孔如此深，所以在本发明的主加强件6包括两部分，即，下半部和上半部的变型中，可首先引入主加强件6的下半部，并且在将所述下半部完全引入孔中之前，加强件的上半部将附接到下半部，使得整个加强件6附接在一起，从而形成单个部件。下半部与上半部之间的附接将通过焊接、加强件搭接或任何其它等效类型的附接来进行。
图3A和图3B示出加强件6的上半部如何将螺栓笼7并入其上端内部。在任何所描述的实施方式中，螺栓笼7具有介于0.8和2米之间的范围内的高度以及小于主加强件6的直径。因此，在本发明的优选实施方式中，螺栓笼7的高度小于桩5或桩5的主加强件6的高度。
各个螺栓笼7包括一个上接箍9a和一个下接箍9b，所述接箍9a和9b通过相对于塔架的轴线(更具体地，其对应柱3的轴线)纵向布置的螺纹杆附接。
在完成主加强件6的上部的引入之前，将螺栓笼7放置在其内部。螺栓笼7可通过上接箍9a悬挂，上接箍9a继而相对于对应桩5的孔居中搁在地面上。可选地，螺栓笼7和主加强件6可在浇注混凝土之前物理附接，这样我们避免了在组装期间使用辅助手段将螺栓笼7保持就位。在本发明的优选方法中，所述附接利用上述系杆10来执行，所述系杆10在构成主加强件6的水平环6a和竖直杆6b的框架与容纳构成螺栓笼7的螺纹杆的下接箍9b之间延伸。可选地，所述系杆10可包括焊接点以进一步固定所述附接。
为了使主加强件6和螺栓笼7的组装更容易，这些元件可预先通过系杆10附接在一起，该操作可在凹坑外部作为预组装执行，这允许在浇注混凝土之前将整个组件同时插入到凹坑中。
上接箍9a包括通孔11以方便调平(leveling)元件的固定。
不浇注混凝土，直至形成三个钻孔并且直至主加强件6(以及在要构建双加强件桩5的情况下，辅加强件6’)和笼7被放置在各个孔或钻孔中。当三个螺栓笼7彼此完美对准时，即，当它们之间的相对位置已被协调突出相同的距离并完全平行于风力涡轮机的塔架的轴线时，完成混凝土的浇注，因为必须始终确保当塔架被“装配”时不存在组装问题，其中“装配”被理解为意指将塔架附接到地基的操作。为了实现这一点，通过通孔11将调平元件锚定在上接箍9a上。在本发明的实施方式中，所述调平元件可以是以60°布置的梁或板12，其延伸到相邻的上接箍9a，从而形成等边三角形，如图4A和图4B所示。然而，在本发明的变型中，所述调平元件可以是机械-光学测量仪器，例如经纬仪。在这个意义上，经纬仪将被暂时放置在各个上接箍9a上，以使得在空间中限定应该由三个螺栓笼7形成的等边三角形。
一旦所述组装过程结束，就将混凝土浇注在地面4的各个钻孔中，使得当混凝土凝固时，在各个钻孔中生成桩5。总组装时间因此减少，并且节省了材料，因为该桩地基与现有技术的地基相比需要较少混凝土，并且由于不需要这样大的笼7，所以制造螺栓笼7也使用较少的材料。
一旦各个桩5的混凝土已凝固，调平元件，即，机械-光学测量仪器或保持本发明的地基的各个桩5的螺栓笼7附接并对准的梁或板12就被移除。
图5示出优选实施方式的桩5及其对应柱3遵循对称轴的截面。可在所述图中看到当组装过程结束时螺栓笼7和主加强件6之间的布置方式，其中系杆10在二者之间附接它们。
可在所述图5中看到，桩5的上部从地面4的水平面突出以防止地形的潮湿并使附接的锈蚀最小化。
在本发明的方法的变型中，在浇注混凝土之前，与主加强件6的引入同时将辅加强件6’引入到各个桩5’中，螺栓笼7布置在两个加强件6和6’之间，如图6所示。
在该实施方式中，主加强件6和辅加强件6’可通过上述接合系杆10’物理附接。所述接合系杆10’优选水平布置，并且可单独布置或成对布置，如图6所示。所述接合系杆10’布置在主加强件6和辅加强件6’的竖直杆6b,6b’之间，优选等距间隔开。
为了使主加强件6和辅加强件6’与螺栓笼7的组装更容易，这三个元件可预先附接在一起。该附接可在凹坑外部作为预组装执行，这允许在浇注混凝土之前将整个组件同时引入到凹坑中。接合系杆10’将主加强件6和辅加强件6’的竖直杆6b,6b’固定在一起，并且系杆10将固定附接到主加强件6或辅加强件6’或者甚至二者的螺栓笼7。可选地，接合系杆10’或系杆10可包括焊接点以进一步固定所述附接。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机的塔架的地基，该塔架由管状上部(2)以及由至少三根柱(3)构成的下部形成，其特征在于，该地基针对各个柱(3)包括一个加强的混凝土桩(5)，在各个桩(5)内部布置有螺栓笼(7)和主加强件(6)，所述主加强件(6)由彼此附接以形成圆柱形框架的水平环(6a)和竖直杆(6b)形成，所述主加强件(6)布置在对应桩(5)的外围，并且所述螺栓笼(7)布置在对应主加强件(6)内部的上部中并且径向距离小于0.1米，以使得当混凝土凝固时，在使用中由塔架生成的拉伸载荷可从所述螺栓笼(7)传递到所述主加强件(6)并最终传递到所述混凝土，各个螺栓笼(7)适合于穿过所述柱(3)的凸缘(8)。
2.根据权利要求1所述的地基，其中，在各个螺栓笼(7)内部布置有由形成圆柱形框架的竖直杆(6b’)和水平环(6a’)形成的辅加强件(6’)。
3.根据权利要求2所述的地基，其中，所述辅加强件(6’)在径向上距所述螺栓笼(7)以小于0.1米的距离布置。
4.根据权利要求2或3所述的地基，其中，所述辅加强件(6’)的高度大于所述螺栓笼(7)的嵌入在所述混凝土内部的部分，优选高大约0.5米。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的地基，其中，所述主加强件(6)和所述辅加强件(6’)通过布置在所述主加强件(6)和所述辅加强件(6’)的竖直杆(6b,6b’)之间的接合系杆(10’)附接。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的地基，其中，各个螺栓笼(7)通过系杆(10)物理附接到对应桩(5)的主加强件(6)的框架，所述系杆(10)被固定在构成所述主加强件(6)的水平环(6a)和竖直杆(6b)的所述框架与所述螺栓笼(7)的下接箍(9b)之间。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的地基，其中，各个螺栓笼(7)包括在地面(4)的水平面突出并与桩(5)的上部直接接触的上接箍(9a)，所述上接箍(9a)适合于也与柱(3)的凸缘(8)直接接触。
8.根据权利要求7所述的地基，其中，所述上接箍(9a)包括以60°布置的通孔(11)，所述通孔(11)适合于布置调平元件，所述调平元件在所述桩(5)的组装期间与所有相邻的螺栓笼(7)相互作用。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的地基，其中，所述螺栓笼(7)的高度在介于0.8米和2米之间的范围内，并且所述主加强件(6)的高度在介于20米和40米之间的范围内。
10.一种构造根据前述权利要求中的任一项所述的地基的方法，其特征在于
-在地面(4)中钻用于各个桩(5)的孔，
-为围绕所述孔的轮廓延伸的各个桩(5)引入通过水平环(6a)和竖直杆(6b)的圆柱形框架覆盖所述各个桩的整个深度的主加强件(6)，
-在各个桩(5)的加强件的上部中引入螺栓笼(7)，使得包括在所述螺栓笼(7)中的上接箍(9a)从地面(4)的水平面突出，
-通过调平元件来协调所述螺栓笼(7)的位置，所述调平元件与所述上接箍(9a)相互作用并彼此以60°布置，
-在各个桩(5)的各个孔中浇注混凝土，并且
-一旦所述混凝土已凝固，就完成各个螺栓笼(7)的从地面(4)突出的上接箍(9a)的上部与所述塔架的对应柱(3)的凸缘(8)之间的附接。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，各个桩(5)的所述螺栓笼(7)和所述主加强件(6)通过将水平环(6a)和竖直杆(6b)的所述框架与下接箍(9b)附接的系杆(10)来附接，因此允许所述主加强件(6)和所述螺栓笼(7)被一起引入到地面的对应孔中。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，辅加强件(6’)与所述主加强件(6)同时被引入，其中所述辅加强件(6’)和所述主加强件(6)优选预先通过接合系杆(10’)附接，然后在两个组件(6,6’)之间引入所述螺栓笼(7)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述主加强件(6)、所述辅加强件(6’)和所述螺栓笼(7)在地面的孔外部彼此附接，从而允许整个组件被一起引入到对应孔中。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的方法，所述方法还包括一旦所述混凝土已凝固，就移除与相邻螺栓笼(7)的所有上接箍(9a)相互作用的调平元件的操作。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的方法，其中，各个桩(5)的所述主加强件(6)包括两个部分，即，下半部和上半部，使得
-首先所述主加强件(6)的所述下半部并且然后所述上半部被引入到各个桩(5)的所述孔中，并且
-在将所述下半部完全引入对应桩(5)的所述孔中之前，优选通过焊接或任何其它类型的等效永久附接将所述上半部附接到所述下半部，使得整个加强件附接在一起，从而形成单个部件。
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