CN112922015A - 一种海上风机单桩基础及风机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上风机单桩基础，包括：单桩基础本体，其底部插设于海床面下；裙板支撑结构，其固定罩设在所述单桩基础本体的外围并沿所述单桩基础本体的周向分布。本发明在单桩基础本体的外围设置裙板支撑结构，可将单桩基础本体受到的一部分荷载传递至裙板支撑结构上，增加风机单桩基础的水平承载力及抗弯矩能力，并降低单桩基础所承受的波流载荷，同时直接遮盖了桩周海床土体，可以阻挡波浪、海流对桩周海床土体的冲刷。
Description
技术领域
本发明涉及海上风力发电技术领域，尤其涉及一种海上风机单桩基础及风机。
背景技术
海上风电机组基础设计和施工是海上风电场建设的关键技术之一，基础成本约占整个海上风电投资的20％至30％，同时风机基础的施工进度直接制约着风电场投产发电的时间。因此，降低基础成本，加快海上基础施工进度，有利于提高整个风电场的经济性。
风机基础的选择直接决定了该海上风机的稳定性和经济性。根据海上风机的工作水深不同，风机基础选择不同。从浅水到深水，可采用基础分为重力式基础、单桩基础、三脚架式基础、导管架基础、吸力筒型基础及漂浮式基础等。
目前，作为构造最为简单的一种海上风机基础型式，单桩基础是欧洲海上风电场的主导基础结构型式，在已建的海上风电场中约占75％。单桩基础具有海上作业时间短，能够适应施工窗口小的海域；施工速度快，可以较快实现风场投产发电；结构简单，便于运营维护等优点。目前，我国已建和在建的海上风电项目主要集中在上海、江苏、山东、福建和广东等地，在水深小于30m时，单桩基础仍是首选基础型式。
海上风电结构属于垂向荷载相对较小，水平荷载及弯矩较大的海上高耸结构，抗倾覆能力要求高。单桩基础不仅要承受风机机组和桩基自重产生的竖向荷载，还要承受风、波浪、海流和海冰等产生的水平荷载，在水平循环荷载的作用下，桩基会产生较大的水平位移和桩身变形。大量工程实践表明，单桩基础通常可以满足竖向承载力的要求，而不能满足水平承载力和水平位移的要求。工程中，通常采用增加桩径和桩长的方式，提高单桩基础水平承载力，降低单桩基础水平位移。增加桩径和桩长意味着单桩制作成本的增加，施工难度的提高。
此外，由于在海床上设置大直径单桩基础，波浪和海流在桩周会产生漩涡，冲刷单桩基础附近的海床土体，对风机的安全稳定运行产生影响。目前，工程上最常用的做法就是在单桩基础的外周铺设重力式砂被，即利用起重船将不同大小的砂被平铺至海底，利用砂被压载防止砂被下面的土体被波流掏蚀。然而传统的砂被敷设作业难度相对较大，尤其是钢管桩根部位置，敷设工作很难达到设计要求，使得实际抗冲刷效果大打折扣。另外一种常规做法就是抛石法，即利用抛石在桩基周围形成反滤层，防止桩基周围表层土被掏蚀。但抛石容易伤及风机主体结构，并且抛石很难回收，影响环境，且抛石后期需进行维护，存在二次冲刷风险。
发明内容
本发明提出了一种海上风机单桩基础，既能提供足够的水平承载力，减小桩身位移，同时还能避免波浪、海流对桩周土体的冲刷，保证风机的安全稳定运行。
为了达到上述目的，本发明提出了一种海上风机单桩基础，包括：
单桩基础本体，其底部插设于海床面下；
裙板支撑结构，其固定罩设在所述单桩基础本体的外围并沿所述单桩基础本体的周向分布，所述裙板支撑结构的底部与海床面接触，用于降低单桩基础所承受的波流载荷并阻挡波流对海床土体的冲刷。
进一步地，所述海上风机单桩基础，还包括：固定结构，其与所述裙板支撑结构固定连接，所述固定结构固定至海底，用于固定所述裙板支撑结构。
进一步地，所述裙板支撑结构上设有若干过水孔，用于减小波浪的冲击载荷，并引导泥沙在单桩基础本体周围堆积以加固海床土体。
进一步地，所述过水孔交错设置。
进一步地，所述裙板支撑结构沿所述单桩基础本体的周向对称分布。
进一步地，所述裙板支撑结构采用槽形钢板，所述槽形钢板的槽形折曲用于实现扶强材的作用。
进一步地，所述裙板支撑结构采用平面钢板，并在裙板支撑结构的面板上设置有沿着面板螺旋向上的螺旋型加强筋。
进一步地，所述裙板支撑结构采用平面钢板，并在裙板支撑结构的面板上设置有多个垂向加强肋板及多个水平环加强筋，以提高裙板支撑结构的强度和刚度。
进一步地，所述固定结构为沿着所述裙板支撑结构的底部连续或间隔分布的入土板。
进一步地，所述固定结构为沿着所述裙板支撑结构的底部均匀分布的多根辅助桩。
本发明还提供了一种海上风机，包括上述的单桩基础、塔架以及风电机组，所述单桩基础的顶部与所述塔架的一端连接，所述塔架的另一端与所述风电机组连接。
进一步地，所述风机单桩基础中的单桩基础本体的上部具有一过渡段，所述单桩基础本体通过所述过渡段与所述塔架连接，所述风机单桩基础中的裙板支撑结构的顶部与所述单桩基础本体的过渡段固定连接。
本发明具有以下优势：
本发明在单桩基础本体的外围设置裙板支撑结构，可将单桩基础本体受到的一部分荷载传递至裙板支撑结构上，增加风机单桩基础的水平承载力及抗弯矩能力，并降低单桩基础所承受的波流载荷。所述裙板支撑结构罩设在所述单桩基础本体的外围，直接遮盖了桩周海床土体，可以阻挡波浪、海流对桩周海床土体的冲刷。同时，裙板支撑结构上设有多个过水孔，可以减少裙板支撑结构的用钢量、降低成本，减小波浪的冲击载荷，还可引导泥沙在单桩基础本体周围堆积，起到加固桩周土体、提高单桩水平承载力的作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的单桩基础的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的槽形钢板的剖面形状示意图。
图3为本发明另一实施例提供的单桩基础的结构示意图。
图4为本发明再一实施例提供的单桩基础的结构示意图。
图5为本发明实施例提供的单桩基础中的固定结构的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1-图4所示，本发明提出了一种海上风机单桩基础，包括：单桩基础本体100，固定在所述单桩基础本体100上的裙板支撑结构300，以及固定在所述裙板支撑结构300底部的固定结构。
所述单桩基础本体100一般采用一根钢管桩，并通过大型沉桩机械将其底部插设于海床面200下。单桩基础本体100的上端通常设有一过渡段，以通过过渡段与风机的塔筒连接，从而支撑风电机组。
所述裙板支撑结构300类似裙状固定罩设在所述单桩基础本体100的外围并沿所述单桩基础本体100的周向分布。分布形式可为圆形分布、多边形(三边以上)对称分布等。通过在单桩基础本体100的外围固定设置裙板支撑结构300，可将单桩基础本体100受到的一部分载荷传递至裙板支撑结构300上，增加了海上风机单桩基础的水平承载力和抗弯矩能力。同时，所述裙板支撑结构300还具有消波减浪的作用，波浪同裙板支撑结构300相遇时将发生显著变形，在裙板支撑结构300的斜坡上破碎，可以大幅降低单桩基础所承受的波流载荷。裙板支撑结构300因此成为单桩基础的保护罩，大大提高了风机在恶劣海况下运行的稳定性和安全性。所述裙板支撑结构300的顶部与所述单桩基础本体100的过渡段固定连接，底部与海床面200接触，直接遮盖了单桩基础本体100周围的土体，可以阻挡波浪、海流对海床土体的冲刷。所述裙板支撑结构300的面板上交错设置有若干过水孔301，在保证裙板支撑结构300强度的同时可减轻裙板支撑结构300的重量，同时还可以有效减小波浪的冲击载荷，并可引导泥沙在单桩基础本体100周围堆积，起到加固桩周土体、提高单桩水平承载力的作用。
所述裙板支撑结构300具有多种结构形式。如图1所示为本发明实施例提供的单桩基础的结构示意图。其中，所述裙板支撑结构300采用槽形钢板，并以槽形钢板的槽形折曲实现扶强材的作用。所述槽形钢板由钢板压制而成，如图2所示，槽形钢板的剖面形状包括但不限于三角形、矩形、梯形、弧形等。裙板支撑结构300采用槽形钢板，在保证裙板支撑结构300强度的条件下，还可以减轻裙板支撑结构300的重量，节省钢材，同时，由槽形钢板的槽形折曲代替扶强材及其肘板，从而减少了装配和焊接的工作量。
进一步地，如图3所示为本发明另一实施例提供的单桩基础的结构示意图。其中，所述裙板支撑结构300采用平面钢板，并在裙板支撑结构300的面板上设置有沿着裙板支撑结构300的面板螺旋向上的螺旋型加强筋302。所述螺旋型加强筋302为连环形状，可焊接于所述面板的外侧，也可焊接于所述面板的内侧，用于加强裙板支撑结构300的强度和刚度。螺旋型加强筋302的剖面形式包括但不限于扁钢、球扁钢、T型钢等。
如图4所示为本发明再一实施例提供的单桩基础的结构示意图。其中，所述裙板支撑结构300采用平面钢板，并在裙板支撑结构300的面板上设置有多个垂向加强肋板303及多个水平环加强筋304。所述垂向加强肋板303沿着裙板支撑结构300的面板的周向均匀分布，并呈辐射状焊接在所述面板上；所述水平环加强筋304焊接在所述面板上的合适高度处，用以加强裙板支撑结构300的强度和刚度。所述垂向加强肋版和水平环加强筋304均可焊接于所述面板的内侧，也可焊接于所述面板的外侧，且垂向加强肋版和水平环加强筋304的剖面形式包括但不限于扁钢、球扁钢、T型钢等。
所述固定结构插入海床面200足够深度进行固定，用于固定所述裙板支撑结构300。如图1、图3至图4所示，所述固定结构为沿着所述裙板支撑结构300的底部连续分布的入土板400，所述入土板400插入海床面200足够深度进行固定。进一步地，所述固定结构为沿着裙板支撑结构300的底部均匀分布的多块入土板400。如图5所示，所述固定结构为沿着裙板支撑结构300的底部均匀分布的多根辅助桩500，所述辅助桩500插入海床面200足够深度进行固定。
本发明还提供了一种海上风机，包括上述的单桩基础、塔架以及风电机组，所述单桩基础的顶部与所述塔架的一端连接，所述塔架的另一端与所述风电机组连接。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种海上风机单桩基础，其特征在于，包括：
单桩基础本体，其底部插设于海床面下；
裙板支撑结构，其固定罩设在所述单桩基础本体的外围并沿所述单桩基础本体的周向分布，所述裙板支撑结构的底部与海床面接触，用于降低单桩基础所承受的波流载荷并阻挡波流对海床土体的冲刷。
2.如权利要求1所述的一种海上风机单桩基础，其特征在于，还包括：固定结构，其与所述裙板支撑结构固定连接，所述固定结构固定至海底，用于固定所述裙板支撑结构。
3.如权利要求1所述的一种海上风机单桩基础，其特征在于，所述裙板支撑结构上设有若干过水孔，用于减小波浪的冲击载荷，并引导泥沙在单桩基础本体周围堆积以加固海床土体。
4.如权利要求3所述的一种海上风机单桩基础，其特征在于，所述过水孔交错设置。
5.如权利要求1所述的一种海上风机单桩基础，其特征在于，所述裙板支撑结构采用槽形钢板，所述槽形钢板的槽形折曲用于实现扶强材的作用。
6.如权利要求1所述的一种海上风机单桩基础，其特征在于，所述裙板支撑结构采用平面钢板，并在裙板支撑结构的面板上设置有沿着面板螺旋向上的螺旋型加强筋。
7.如权利要求1所述的一种海上风机单桩基础，其特征在于，所述裙板支撑结构采用平面钢板，并在裙板支撑结构的面板上设置有多个垂向加强肋板及多个水平环加强筋，以提高裙板支撑结构的强度和刚度。
8.如权利要求2所述的一种海上风机单桩基础，其特征在于，所述固定结构为沿着所述裙板支撑结构的底部连续或间隔分布的入土板。
9.如权利要求2所述的一种海上风机单桩基础，其特征在于，所述固定结构为沿着所述裙板支撑结构的底部均匀分布的多根辅助桩。
10.一种海上风机，其特征在于，包含：权利要求1-9中任意一项所述的单桩基础、塔架以及风电机组，所述单桩基础的顶部与所述塔架的一端连接，所述塔架的另一端与所述风电机组连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210608 |