CN113026803B - 一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种应用于海上电气平台的吸力桶‑桩基础复合结构及施工方法，包括上部传力构件、导管架、桩基础和吸力桶基础；上部传力构件包括支撑平台和支撑臂，支撑臂与支撑平台焊接，海上电气平台的上部组块与支撑臂焊接或螺栓连接；导管架顶部与所述支撑平台焊接，并通过导管架管状节点传力；导管架的下端与所述吸力桶基础顶部焊接；桩基础穿越支撑平台和导管架基础；吸力桶基础顶盖中部设置环向加强肋板；桩基础为单桩基础；所述桩基础与支撑平台、导管架利用抱箍连接；所述吸力桶基础顶部与所述水气管道连接。大大降低了海上施工作业时间，提高了打桩和定位精度，为海上电气平台基础结构及其施工方法提供了一个新的思路。

Description

一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构及施工 方法

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，尤其涉及一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构，适用于海上风力发电技术领域。

背景技术

近年来，国际上许多国家纷纷将海上风电资源的开发和利用作为风电发展的重要方向。与陆上风电相比，海上风电具有风资源稳定、发电寿命长、无弃光限电忧虑、无障碍物遮挡、离人口密集的沿海地区近等优势。我国拥有海岸线长达1.8万km，具有发展海上风电的天然优势，近海风能资源蕴藏量丰富。我国虽然在海上风能资源开发起步较晚，但是发展势头迅猛、前景广阔，海上风电的发展将成为我国开发海洋资源的重要一步。

我国对海上风电资源的开发从近海到深远海，为了保障电能有效输送，通常在海上风电场中设置海上升压站或换流站等电气平台，将风电所发电能升至110kV(220kV)电压或转换成直流，再通过海底电缆送至陆上变电站。作为海上风电场电能汇集中心，海上大型电气平台是其中输变电的关键设施，同时是整个海上风电场的核心。以海上升压站为例，上部组块整体布置紧凑，内部布置包括暖通机房、消防泵房及逃救生设施，主变室、GIS室、开关柜室通信继保蓄电池室、应急配电室、中控室及备品备件间等。国内外海上电气平台多采用导管架和桩基础，常规施工流程为：钢结构加工与制作→电气设备安装→导管架基础沉放→灌浆施工→上部组块整体吊装→上部组块与导管架焊接灌浆等。

目前，海上电气平台基础结构及其施工方法存在诸多问题：1)海上施工周期长，但施工窗口期短；2)导管架基础多采用4根桩以上，打桩造价成本较高；3)海况复杂，打桩施工精度差等。为了提高海上电气平台建造效率和降低成本，需要提出一种经济合理、简单易行、可靠性高的海上电气平台基础结构。

发明内容

本发明旨在针对上述问题，提出了一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩复合基础结构及施工方法。该种复合基础形式合理地将浅基础(吸力桶)和深基础(桩基础)结合，充分发挥了吸力桶基础竖向承载能力和桩基础的抗侧向承载能力。该种基础形式大大降低了海上施工作业时间，提高了打桩和定位精度，为海上电气平台基础结构及其施工方法提供了一个新的思路。

根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构，其特征在于包括上部传力构件、导管架、桩基础和吸力桶基础；所述上部传力构件包括支撑平台和支撑臂，所述支撑臂与所述支撑平台焊接，海上电气平台的上部组块与所述支撑臂焊接或螺栓连接；所述导管架顶部与所述支撑平台焊接，并通过导管架管状节点传力；所述导管架的下端与所述吸力桶基础顶部焊接；所述桩基础穿越支撑平台和导管架基础；所述吸力桶基础顶盖中部设置环向加强肋板；所述桩基础为单桩基础；所述桩基础与支撑平台、导管架利用抱箍连接；所述吸力桶基础顶部与所述水气管道连接。

进一步地，所述桩基础穿过所述支撑平台和导管架；所述抱箍的箍径可调节，在打桩时，箍径大于所述桩基础直径，限制所述桩基础水平位置，起到打桩导向作用，在打桩后，箍径被调节而与所述桩基础紧密连接，形成桩基础与支撑平台、导管架整体结构，通过支撑臂和支撑平台的连接、支撑平台和导管架的连接、导管架和吸力桶基础的连接，有效传递荷载到所述桩基础、所述导管架和所述吸力桶基础。

进一步地，所述桩基础通过所述支撑臂和平台，与所述导管架形成一个整体，共同承担水平和竖向荷载作用。

进一步地，所述抱箍通过可伸缩杆与支撑平台或导管架连接。

进一步地，所述吸力桶基础顶部设置水气管道，抽取吸力桶基础内部水气调节整体结构水平度。

进一步地，所述上部传力构件、导管架和吸力桶基础在陆上预制完成，通过吊装设备放置于指定海域位置，结合自重下沉和负压下沉至指定深度。

进一步地，吊装所述桩基础穿过所述支撑平台、所述抱箍等装置，仅需要进行一次打桩完成桩基础安装，锁紧固定所述抱箍即可完成基础结构安装。

根据本发明的第二个方面，本发明了一种上述的应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构的施工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)所述支撑平台、支撑臂、导管架和吸力桶基础，在陆上一体化安装完成，通过安装船运输到指定海上风电场位置；所述桩基础也通过安装船运输到指定海上风电场位置；

(2)在所述支撑平台和支撑臂上固定好钢丝绳，利用浮吊将支撑平台、支撑臂、导管架和吸力桶基础的一体化结构吊起并逐步放入水中，直至所述吸力桶基础沉贯进入海底泥面以下；

(3)在自重作用下，所述吸力桶基础沉贯进入泥面以下，在吸力桶内部形成密闭空腔，然后将吸力桶顶面水气管道与安装船的抽真空装置连接，对吸力桶内部水气进行抽吸形成负压，使吸力桶克服土体阻力，被不断压入地基土中，直至达到指定深度；

(4)将所述桩基础吊装穿过支撑平台抱箍和导管架中部、底部抱箍，此时所述抱箍调节为打桩导向装置，其箍径大于桩基础的直径，利用重锤进行锤击所述桩基础顶部，直至达到指定深度；

(5)打桩结束后，锁紧固定所述抱箍，使所述桩基础与导管架、支撑平台形成一个整体，安装结束。

进一步地，所述(3)步骤中，结构自重下沉和负压下沉过程中，在所述支撑平台顶部设置水平仪，对此过程实时监控，调整所述吸力桶基础抽吸负压情况，使所述支撑平台保持水平。

进一步地，所述(4)步骤中，所述桩基础垂直穿过三个抱箍，抱箍范围大于桩直径，就位后缩小抱箍范围，保证所述桩基础的垂直度；打桩过程中，注意保护所述支撑平台和支撑臂。

进一步地，所述(5)步骤中，适当增加所述抱箍预紧力，在所述桩基础上、中、下部焊接倒牛腿，保证所述桩基础与吸力桶基础联合承载。

进一步地，所述吸力桶基础和桩基础在泥面处进行有效的防冲刷方法措施，如抛石防护和砂被防护等。

进一步地，所述桩基础和所述支撑平台之间设置橡胶护垫，防止打桩时桩基础卡住问题。

本发明的上述各技术方案和技术手段也可组合使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)充分发挥桩基础水平承载力和吸力桶基础竖向承载力优势，有效地将上部结构荷载传递到地基，保证安全性和可靠性；(2)减小打桩次数，减少桩基础数量，充分利用吸力桶基础负压和自重下沉施工速度快特点，有效提高施工效率和降低施工费用。(3)提高打桩精度，后期拆除方便。本发明结构形式合理，受力体系明确，施工便捷，有效降低成本，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩复合基础结构正视图。

图2是本发明一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩复合基础结构俯视图。

图3是本发明一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩复合基础结构的导管架中部抱箍示意图。

图4是本发明一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩复合基础结构吸力桶基础示意图。

图5是本发明一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩复合基础结构吸力桶基础和海上电气平台上部组块示意图。

具体实施方式

为能进一步说面本发明内容、特点及效果，以下结合附图对本发明详细说明：

(1)图1至图4所示，本实施例公开了一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构，包括吸力桶基础1、加强肋板2、桩基础3、导管架桩腿4、支撑平台5、支撑臂6、连接支座7、斜撑杆8、横向伸缩杆9、抱箍10、水气管道11和倒牛腿12。本实施例中设置4个吸力桶基础1，吸力桶基础1为顶部封闭、底部敞口的圆桶状钢结构基础，直径8m，桶高10m，壁厚30mm，桶顶盖厚60mm，利用水气管道11抽吸吸力桶基础1内部水气，水气管道11设置在导管架桩腿4内部，并与安装船上的抽真空装置相连。吸力桶基础1顶部设置8个加强肋板2，加强肋板2起到连接导管架桩腿4，使桩腿传递上部荷载更加均匀地作用在吸力桶基础1顶部。导管架桩腿4与支撑平台5、斜支撑8和横向伸缩杆9相连，起到传递荷载作用。抱箍10设置于横向伸缩杆9端部，环抱桩基础3，并通过插销装置进行锁紧固定。支撑平台5、支撑臂6和连接构件7依次连接在一起，起到支撑海上电气平台上部组块作用。

在所述桩基础3上、中、下部与抱箍10之间焊接倒牛腿12，保证所述桩基础3与吸力桶基础1联合承载。

(2)吸力桶基础1、加强肋板2和导管架桩腿4、支撑平台5、支撑臂6、连接支座7、斜撑杆8、横向伸缩杆9、抱箍10、水气管道11均可在陆上拼装完成，利用安装船拖到风电场指定位置后，利用浮吊将拼装结构吊起并逐步放入水中，直至吸力桶基础1落在水下海底泥面处。

(3)拼装结构首先通过自重下沉，在吸力桶基础1的空腔内形成密闭空间，自重下沉结束后，通过水气管道11连接安装船上的抽吸装备进行抽吸吸力桶基础1密闭空间的水空，吸力桶基础1在桶顶上下表面压力差作用下会进一步下沉，直至达到预定深度。在此过程中，通过调节不同吸力桶基础1抽取负压量，以此调节支撑平台5的水平度。

(4)利用浮吊将桩基础3穿过支撑平台5和抱箍10，然后自重沉入海底泥面，利用上、中、下三个位置处的横向伸缩杆9和抱箍10对桩基础3进行侧向约束，保证桩基础3垂直度，利用打桩船对桩基础3进行打桩，直至达到预定深度。施工过程中注意保护支撑平台5、支撑臂6和连接支座7。

(5)调整支撑平台、中部和下部横向伸缩杆9，锁紧并固定抱箍10，使桩基础3与导管架4、支撑平台5形成一个整体。在桩基础3上、中、下部与抱箍10之间焊接倒牛腿12。

(6)安装完成后，进行海上电气平台上部组块吊装、电缆铺设和接入电气系统等。

本发明中吸力桶基础、导管架结构、支撑平台和支撑臂等结构均可以在陆上整体拼装完成，吸力桶基础通过自重和负压下沉就位，仅需要进行一次打桩完成桩基础安装，锁紧固定所述抱箍即可完成基础结构安装。本发明结构安全可靠，施工便捷，十分适合作为海上电气平台的基础结构形式。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构，其特征在于包括上部传力构件、导管架、桩基础和吸力桶基础；所述上部传力构件包括支撑平台和支撑臂，所述支撑臂与所述支撑平台焊接，海上电气平台的上部组块与所述支撑臂焊接或螺栓连接；所述导管架顶部与所述支撑平台焊接，并通过导管架管状节点传力；所述导管架的下端与所述吸力桶基础顶部焊接；所述桩基础穿越支撑平台和导管架基础；所述吸力桶基础顶盖中部设置环向加强肋板；所述桩基础为单桩基础；所述桩基础与支撑平台、导管架利用抱箍连接；所述吸力桶基础顶部与水气管道连接；

所述桩基础穿过所述支撑平台和导管架；所述抱箍的箍径可调节，在打桩时，箍径大于所述桩基础直径，限制所述桩基础水平位置，起到打桩导向作用，在打桩后，箍径被调节而与所述桩基础紧密连接，形成桩基础与支撑平台、导管架整体结构，通过支撑臂和支撑平台的连接、支撑平台和导管架的连接、导管架和吸力桶基础的连接，有效传递荷载到所述桩基础、所述导管架和所述吸力桶基础；

所述桩基础通过所述支撑臂和平台，与所述导管架形成一个整体，共同承担水平和竖向荷载作用；

在安装时，将支撑平台、支撑臂、导管架和吸力桶基础的一体化结构吊起并逐步放入水中，直至所述吸力桶基础沉贯进入海底泥面以下；然后，在吊装桩基础时，将所述桩基础吊装穿过支撑平台抱箍和导管架中部、底部抱箍，此时所述抱箍调节为打桩导向装置，其箍径大于桩基础的直径，利用重锤进行锤击所述桩基础顶部，直至达到指定深度。

2.根据权利要求1所述的一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构，其特征在于：所述抱箍通过可伸缩杆与支撑平台或导管架连接。

3.根据权利要求1所述的一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构，其特征在于：所述吸力桶基础顶部设置水气管道，抽取吸力桶基础内部水气调节整体结构水平度。

4.根据权利要求1所述的一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构，其特征在于：所述上部传力构件、导管架和吸力桶基础在陆上预制完成，通过吊装设备放置于指定海域位置，结合自重下沉和负压下沉至指定深度。

5.根据权利要求1所述的一种应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构，其特征在于：吊装所述桩基础穿过所述支撑平台、所述抱箍装置，仅需要进行一次打桩完成桩基础安装，锁紧固定所述抱箍即可完成基础结构安装。

6.权利要求1所述的应用于海上电气平台的吸力桶-桩基础复合结构的施工方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）所述支撑平台、支撑臂、导管架和吸力桶基础，在陆上一体化安装完成，通过安装船运输到指定海上风电场位置；所述桩基础也通过安装船运输到指定海上风电场位置；

（2）在所述支撑平台和支撑臂上固定好钢丝绳，利用浮吊将支撑平台、支撑臂、导管架和吸力桶基础的一体化结构吊起并逐步放入水中，直至所述吸力桶基础沉贯进入海底泥面以下；

（3）在自重作用下，所述吸力桶基础沉贯进入泥面以下，在吸力桶内部形成密闭空腔，然后将吸力桶顶面水气管道与安装船的抽真空装置连接，对吸力桶内部水气进行抽吸形成负压，使吸力桶克服土体阻力，被不断压入地基土中，直至达到指定深度；

（4）将所述桩基础吊装穿过支撑平台抱箍和导管架中部、底部抱箍，此时所述抱箍调节为打桩导向装置，其箍径大于桩基础的直径，利用重锤进行锤击所述桩基础顶部，直至达到指定深度；

（5）打桩结束后，锁紧固定所述抱箍，使所述桩基础与导管架、支撑平台形成一个整体，安装结束。

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