CN112049145A - 后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海上风电工程技术领域的后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构及其施工方法。技术方案为：多个下压式抗冰构件环向均匀间隔布置在集成式套笼的圈梁上，形成离散的倒锥体破冰结构；带有下压式抗冰构件的集成式套笼安装在已经打入海床的单桩基础上，单个下压式抗冰构件包括上支撑钢管、下支撑钢管和下压式连接构件；上支撑钢管的长度大于下支撑钢管，上支撑钢管和下支撑钢管的一端分别固定在圈梁上，下压式连接构件的两端分别与上支撑钢管和下支撑钢管的悬挑端连接。本发明充分利用海上风电单桩基础结构现有的集成式套笼，在保证海上风电单桩基础抗冰消浪效果的同时，实现后装配式抗冰结构简便高效的安装。

Description

后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及海上风电工程技术领域，尤其涉及一种抗冰型钢海上风电单桩基础结构及其施工方法。

背景技术

随着我国海上风力发电技术的发展，在海上风电场建设中，单桩基础应用越来越广泛，但对于寒区中的单桩风机基础兼具面临强风和强冰两大挑战：环境因素的分布具有很大的关联性，基础往往会面临着强风与强冰的共同作用，这对结构的抗倾覆能力提出了更高的要求。众所周知，风电结构作为一种高耸柔性结构，强冰作用下冰激振动对高耸柔性结构的影响应给予更加充分的考虑。

一般情况下，可在潮差范围内设计安装抗冰锥体结构以减小冰压力、削弱冰激振动对风机的影响，但是抗冰锥体结构由于其外直径较大，往往会导致非冰期波浪载荷的增加。由于天然海冰的挤压强度远大于其弯曲强度,若将抗冰构件设置成下压式，使得冰排在结构前挤压破坏模式转变为弯曲破坏，将能有效抑制动冰载荷。

目前常用的抗冰方法主要分为主动破冰和被动破冰两大类。破冰船破冰、冲冰融冰为主动破冰；导管架抗冰锥、沉箱平台、移动破冰锥属于被动破冰。若能将多种破冰方式有效结合，可进一步保证抗冰效果。

对于外加抗冰结构的施工，目前海洋工程行业通常将抗冰构件先安装在导管架桩腿上，随导管架结构一起放入水中，这种做法即为“先装法”施工，对于海上风电单桩基础来说,尤其是无过渡段单桩基础,抗冰构件如果采用“先装法”施工,在单桩基础沉桩施工时巨大的激振力反复作用于单桩结构,抗冰构件与桩体连接部位反复承受桩锤锤击作用,抗冰构件易与桩体连接部位出现损伤，甚至发生脱开,造成抗冰构件破坏。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构及其施工方法。本发明充分利用海上风电单桩基础结构现有的集成式套笼，在保证海上风电单桩基础抗冰消浪效果的同时，实现后装配式抗冰结构简便高效的安装。

本发明的技术方案为：一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构包括已打入海床的单桩基础，多个下压式抗冰构件环向均匀间隔布置在集成式套笼的圈梁上，形成离散的倒锥体破冰结构；带有下压式抗冰构件的集成式套笼安装在单桩基础上，单个下压式抗冰构件包括上支撑钢管、下支撑钢管和下压式连接构件；上支撑钢管的长度大于下支撑钢管，上支撑钢管和下支撑钢管的一端分别固定在圈梁上，下压式连接构件的两端分别与上支撑钢管和下支撑钢管的悬挑端连接。

基于上述技术特征：下压式连接构件与水平面的夹角为50°至70°。

基于上述技术特征：下压式连接构件为条状的钢板或型钢。

基于上述技术特征：下压式抗冰构件沿集成式套笼上下设置为单层或双层。

基于上述技术特征：上支撑钢管内埋设电缆线，下压式连接构件内设置电热丝，电缆线、电热丝及供电电源组成热融冰装置。

一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构的施工方法为：

步骤一：上支撑钢管内埋设电缆线，下压式连接构件内设置电热丝。

步骤二：在陆地上将上支撑钢管、下支撑钢管和下压式连接构件焊接组装成下压式抗冰构件。

步骤三：在陆地上将下压式抗冰构件的上支撑钢管和下支撑钢管焊接在集成式套笼的圈梁上。

步骤四：单桩基础钢管桩沉桩。

步骤五：带有下压式抗冰构件的集成式套笼一体化安装在单桩基础上。

步骤六：电缆线、电热丝与供电电源相连组成热融冰构件。

本发明的有益效果是：

1.下压式抗冰构件，可按图纸进行标准化生产，构造简单，拼接方便，造价低廉。

2.以一定间隔布置的下压式抗冰构件组成离散的倒锥体破冰结构，与传统的实表面抗冰锥结构相比，重量较轻，且减小了抗冰结构的水线面面积，在保证良好抗冰效果的同时，有效抑制了非冰期波浪力的大幅增加。

3.海上风电单桩基础结构的集成式套笼包括爬梯、靠船构件、平台、圈梁等附属结构，其固定在单桩基础的桩身外。本发明将下压式抗冰构件焊接在集成式套笼的圈梁上，下压式抗冰构件和集成式套笼可在陆域环境完成后再安装至已经埋入海床的单桩基础上，缩短海上作业时间的同时，使得下压式抗冰构件的加工质量得到有效保证，降低了安全风险。

4.根据冬季天文潮位潮差及冰情情况，可灵活布置下压式抗冰构件的层数及结构形式，在保证抗冰构件安全的同时，有利于节省工程量。

5.本发明中，应用电热丝，电缆线及供电电源组成热融冰装置可实现主动破冰；应用下压式抗冰构件可实现被动破冰；两者有效结合，可进一步保证抗冰效果。

本发明基于现有的海上风电单桩基础结构的集成式套笼，各资源整合优化后获取高效简便的施工方法并达到理想的破冰消浪效果，对于确保我国北方海域海上风电风机结构安全，降低风机基础建设成本有着重要意义。

附图说明

图1为本发明一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构中下压式抗冰构件单层布置的主视图。

图2为本发明一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构中下压式抗冰构件双层布置的主视图。

图3为本发明一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构的俯视图。

图4为本发明下压式连接构件为钢板的大样图。

图5为图4的A-A剖面图。

图6为本发明下压式连接构件为型钢的大样图。

图7为图6的B-B剖面图。

图8为图7的C-C剖面图。

图中的标号示意为：单桩基础1、集成式套笼2、下压式抗冰构件3、钢板4-1、型钢4-2、上支撑钢管5、下支撑钢管6、圈梁7、电缆线8、电热丝9、冬季设计高水位10、冬季设计低水位11。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1、图2和图3所示，多个下压式抗冰构件3环向均匀间隔布置在集成式套笼2上，形成离散的倒锥体破冰结构，带有下压式抗冰构件3的集成式套笼2安装在已打入海床的单桩基础1上。下压式抗冰构件3的纵向布置范围大于冬季设计高水位10和冬季设计低水位11之间的潮差。下压式抗冰构件3在布置过程中，如同一标高处碰到集成式套笼2的附属结构，可避开布置。附属结构包括海上风电单桩基础的爬梯、靠船构件、平台等。

如图4至图8所示，单个下压式抗冰构件3包括上支撑钢管5、下支撑钢管6和下压式连接构件；上支撑钢管5的长度大于下支撑钢管6，上支撑钢管5和下支撑钢管6的一端分别固定在集成式套笼2的圈梁7上，下压式连接构件的两端分别与上支撑钢管5和所下支撑钢管6的悬挑端连接，下压式连接构件与水平面的夹角宜为50°至70°。如图4和图5所示，下压式连接构件为条状的钢板4-1；如图6、图7和图8所示，对于冰情严重海域，下压式连接构件可采用型钢4-2。

当冬季天文潮位的潮差较大时，即冬季设计高水位和冬季设计低水位之差较大时，下压式抗冰构件可设置为如图2所示的双层。

如图5和图7所示，上支撑钢管5内埋设电缆线8，下压式连接构件内设置电热丝9；电缆线8、电热丝9及供电电源组成热融冰装置。考虑到供电电源的放置位置及施工的便捷，宜在上支撑钢管5内埋设电缆线8。

本发明中，后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构的一种实施方式可为：

(1)上支撑钢管5内埋设电缆线8，钢板4-1或型钢4-2内设置电热丝9。

(2)在陆地上将上支撑钢管5、下支撑钢管6和钢板4-1或型钢4-2焊接组装成下压式抗冰构件3。

(3)在陆地上将下压式抗冰构件3的上支撑钢管5和下支撑钢管6焊接在集成式套笼2的圈梁7上。

(4)单桩基础1钢管桩沉桩。

(5)带有下压式抗冰构件3的集成式套笼2一体化安装在单桩基础1上。

(6)电缆线8、电热丝9及供电电源相连组成热融冰构件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构，包括已打入海床的单桩基础(1)，其特征在于：多个下压式抗冰构件(3)环向均匀间隔布置在集成式套笼(2)的圈梁(7)上，形成离散的倒锥体破冰结构；带有所述下压式抗冰构件(3)的所述集成式套笼(2)安装在所述单桩基础(1)上，单个所述下压式抗冰构件(3)包括上支撑钢管(5)、下支撑钢管(6)和下压式连接构件；所述上支撑钢管(5)的长度大于所述下支撑钢管(6)，所述上支撑钢管(5)和所述下支撑钢管(6)的一端均固定在所述圈梁(7)上，所述下压式连接构件的两端分别与所述上支撑钢管(5)和所述下支撑钢管(6)的另一端连接。

2.根据权利要求1所述的一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构，其特征在于：所述下压式连接构件与水平面的夹角为50°至70°。

3.根据权利要求1或2所述的一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构，其特征在于：所述下压式连接构件为条状的钢板(4-1)或型钢(4-2)。

4.根据权利要求1所述的一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构，其特征在于：所述下压式抗冰构件(3)沿所述集成式套笼(2)上下设置为单层或双层。

5.根据权利要求1或2或4所述的一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构，其特征在于：所述上支撑钢管(5)内埋设电缆线(8)，所述下压式连接构件内设置电热丝(9)，所述电缆线(8)、所述电热丝(9)及供电电源组成热融冰装置。

6.根据权利要求1所述的一种后装配式抗冰型钢海上风电单桩基础结构的施工方法，其特征在于：

步骤一：所述上支撑钢管(5)内埋设电缆线(8)，所述下压式连接构件内设置电热丝(9)；

步骤二：在陆地上将所述上支撑钢管(5)、下支撑钢管(6)和所述下压式连接构件焊接组装成所述下压式抗冰构件(3)；

步骤三：在陆地上将所述下压式抗冰构件(3)的所述上支撑钢管(5)和所述下支撑钢管(6)焊接在所述集成式套笼(2)的所述圈梁(7)上；

步骤四：所述单桩基础(1)钢管桩沉桩；

步骤五：带有所述下压式抗冰构件(3)的所述集成式套笼(2)一体化安装在所述单桩基础(1)上；

步骤六：所述电缆线(8)、所述电热丝(9)与供电电源相连组成热融冰构件。

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