CN113186966A - 一种海上风电单桩复合带翼重力式基础及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电单桩复合带翼重力式基础及其施工方法，该装置包括重力式基础和单桩；本发明通过高强灌浆材料将单桩和底部带有翼板的重力式基础连为一体，增强了结构的整体刚度，具有较强的竖向承载力、水平承载力、抗倾覆承载力和抗扭转能力，能够有效减少复杂海洋环境条件下对于单桩基础的长度和壁厚的要求，因此在节省了大量钢材的同时省去了因桩直径过大、长度过长产生的高昂打桩费用。该组合结构基础扩大了单桩和重力式基础的适用范围，能够在较为复杂的海洋条件下安装使用。

Description

一种海上风电单桩复合带翼重力式基础及其施工方法

技术领域

本发明属于海上风电基础结构领域，具体来说涉及一种海上风电单桩复合带翼重力式基础及其施工方法。

背景技术

海上风电作为一种清洁绿色的能源越来越受到人们的关注，自1991年世界第一座海上风电场在丹麦建成以来，海上风能的开发利用已成为专家学者研究关注的热点。制约海上风力发电最重要的一个因素是基础形式的建造。海上风机结构要承受来自风、浪、流荷载产生的水平荷载和弯矩荷载及循环荷载的作用，故对于风机基础的设计要着重考虑各种复杂作用下的基础结构稳定性。

目前应用最广的是单桩基础，其结构简单、承载机理研究相对成熟，因此得到了广泛的使用。但随着海上风电规模化的发展，风电场由近海向外海推进，在深水海域采用单桩时，不仅需要增加钢管桩的直径和长度，还会在打桩过程中产生高昂的安装费用，无疑大幅增加了成本。同时单桩基础抵抗水平荷载和弯矩荷载的能力相对较弱，泥面处在遭受长期的循环水平荷载时易发生较大位移，进而导致桩头位移过大，发生失稳破坏，在弯矩荷载作用下，也易发生倾覆破坏。

重力式基础是一种依靠自重使风机保持在垂直位置的基础，制造工艺简单，主要材料为混凝土，无需大量钢材，因此在建造成本上相比单桩等基础具有明显的优势，安装过程也较为简单，具有工期和成本上的优势。主要结构通常为重力式圆盘，具有较好的抗倾覆及抵抗滑动的能力，但重力式基础对于天然地基的要求较为严格，不适用于软土地基，在海水冲刷的影响下，易造成底部滑动，进而影响其受力性能。

针对上述海上风电基础受力问题，现有工程中针对单一基础来说，常增大单桩的直径和长度来抵抗较大的水平和弯矩荷载，由此也会增大单桩基础的用钢量，同时增加打桩成本。而对于重力式基础来说，通常增大圆盘直径和圆盘质量来增加抗滑力和抗倾覆能力，进而扩大了基础的适用范围，但这也同时增加了基础的成本，增大了海上运输安装的费用。风电基础在长期工作中，不仅遭受风浪流等循环荷载产生的水平和弯矩荷载，同时会承受因非共面荷载产生的扭矩，当风电基础的尺寸较大时，其承受扭矩荷载发生扭转破坏的可能性加大，目前针对此受力破坏形式，在基础结构研究方面尚未得到合理的解决。

因此，为应对海上风电越来越高的承载能力要求，提高海上风电基础的水平、弯矩承载力、抗倾覆能力及解决现有基础抗扭转设计不足的问题，本发明提出一种带有翼板的重力式基础和单桩基础组合的结构形式。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海上风电单桩复合带翼重力式基础及其施工方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种海上风电单桩复合带翼重力式基础，包括重力式基础和单桩；

所述重力式基础包括盘架、护筒、支撑肋板、填充材料和翼板，所述盘架包括底板和外环，所述底板的边缘与外环底部固定连接，所述底板中心处形成有圆孔；所述护筒贯穿设置于所述盘架底板的圆孔处，所述护筒位于底板上方的筒壁与外环之间呈射状等间距设置支撑肋板，在由支撑肋板分隔的盘架内部区域内设置填充材料，所述护筒位于底板下方的筒壁辐呈射状等间距设置翼板；

所述单桩贯穿设置于所述重力式基础的中心处，所述单桩与所述护筒之间通过高强灌浆材料连接固定。

在上述技术方案中，所述单桩的上端通过法兰盘与风力机塔筒的底部连接。

在上述技术方案中，所述单桩的直径为3～10m，长度为40～80m，壁厚为60～80mm。

在上述技术方案中，所述翼板长度为重力式基础与单桩的外径之差，所述翼板顶部与重力式基础的下端齐平。

在上述技术方案中，所述翼板的数量为3～12个。

在上述技术方案中，所述翼板的宽度为1-3米，厚度为10-30mm。

一种海上风电单桩复合带翼重力式基础的施工方法，按照下述步骤进行：

首先对安装位置处海床进行清淤、整平，随后将预制好的带有翼板的重力式基础通过自重下沉安放到相应位置，对护筒内的土体进行清理，将单桩打入；接着在带有翼板的重力式基础和单桩间浇灌高强混凝土材料，最后安装风机塔筒。

本发明的优点和有益效果为：

1、通过高强灌浆材料将单桩和底部带有翼板的重力式基础连为一体，增强了结构的整体刚度，具有较强的竖向承载力、水平承载力、抗倾覆承载力和抗扭转能力，能够有效减少复杂海洋环境条件下对于单桩基础的长度和壁厚的要求，因此在节省了大量钢材的同时省去了因桩直径过大、长度过长产生的高昂打桩费用。该组合结构基础扩大了单桩和重力式基础的适用范围，能够在较为复杂的海洋条件下安装使用。

2、重力式基础下方翼板随重力式基础一起下沉安装，施工简单，且极大的增强了原本重力式基础抵抗滑动的能力，保证其能够更好的发挥抗倾覆能力，同时依靠与土体间的摩擦力，增大了整个基础在各种海洋条件下的适用性。同时翼板也增强了结构整体抵抗非共面荷载产生的扭转能力。带有翼板的重力式圆盘极大的限制了海床面处桩身的位移，使得整个桩身在靠近风机位置处不会因发生过大的位移而导致破坏。

3、海上风电单桩复合带翼重力式基础安装简单，翼板依靠重力式基础的重量下沉，施工难度小。在重力式基础安装完毕后，在其护筒中心位置打入单桩，能够有效改善桩基的定位问题。

附图说明

图1为本发明的一种海上风电单桩复合带翼重力式基础的平面结构示意图。

图2为本发明的重力式基础盘架的立体结构示意图。

其中：1、单桩；2、盘架；3、翼板；4、护筒；5、高强灌浆材料；6、法兰盘；7、风力机塔筒；8、填充材料；9、由非共面荷载产生的扭矩；10、支撑肋板；11、非共面荷载。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

如附图1和2所示，一种由单桩和底部带有翼板的重力式基础组合而成的海上风电基础结构，包括单桩、灌浆材料、底部带有翼板的重力式基础、法兰盘和风力机塔筒。

所述实例的单桩为钢管桩，直径为5m，桩长45m。带有翼板的重力式基础盘架为预制的钢筋结构，重力式基础盘架内设置4个支撑肋板，盘架内部可填充混凝土或碎石等材料组成重力式圆盘。护筒的内径为5.16米，护筒内径与钢管桩的直径相关，必须留有一定的空间用于钢管桩的安装并在二者的空隙浇灌足够的灌浆材料，保证结构的整体刚度。重力式基础下方的翼板共设置4个，呈辐射状均匀分布在以单桩为圆心的圆周上，翼板长度为重力式基础外径与单桩基础的外径之差，翼板顶部与重力式基础的下端齐平，厚度为20mm。

所述带有翼板的重力式基础，重力式盘架的底部与翼板的顶部和海床面齐平，单桩的直径为8m，单桩的长度为60m。

具体施工过程中：

首先对安装位置处海床进行清淤、整平，随后将预制好的带有翼板的重力式基础通过自重下沉安放到相应位置，对护筒内的土体进行清理，将钢管桩打入；接着在带有翼板的重力式基础和单桩间浇灌高强混凝土材料，最后安装风机塔筒。

实施例2

在上述实施例的基础上，所述翼板的的数量可选择3～12个中任一数量，具体根据重力式圆盘产生的下沉力和海浪冲刷能力综合考量进行设置。所述重力式基础的翼板是整个海上风电单桩复合带翼重力式基础的关键，翼板随重力式圆盘沉放到海床中时，通过翼板与浅层土体的相互作用，能够有效发挥浅层土体的抗力，使重力式圆盘抵抗滑动的能力增强，受海浪冲刷的影响减小。同时，翼板可通过有效限制重力式基础的位移达到有效限制海床面处桩身位移的作用，从一定程度上保证了风机处不致发生过大位移，进而保证风机在风浪流等循环荷载作用下的稳定性，从整体上提高了结构的复合承载能力。翼板在一定程度上弥补了现有基础难以抵抗因非共面荷载产生的扭矩的问题。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种海上风电单桩复合带翼重力式基础，其特征在于：包括重力式基础和单桩；

所述重力式基础包括盘架、护筒、支撑肋板、填充材料和翼板，所述盘架包括底板和外环，所述底板的边缘与外环底部固定连接，所述底板中心处形成有圆孔；所述护筒贯穿设置于所述盘架底板的圆孔处，所述护筒位于底板上方的筒壁与外环之间呈射状等间距设置支撑肋板，在由支撑肋板分隔的盘架内部区域内设置填充材料，所述护筒位于底板下方的筒壁辐呈射状等间距设置翼板；

所述单桩贯穿设置于所述重力式基础的中心处，所述单桩与所述护筒之间通过高强灌浆材料连接固定。

2.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩复合带翼重力式基础，其特征在于：所述单桩的上端通过法兰盘与风力机塔筒的底部连接。

3.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩复合带翼重力式基础，其特征在于：所述单桩的直径为3～10m，长度为40～80m，壁厚为60～80mm。

4.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩复合带翼重力式基础，其特征在于：所述翼板长度为重力式基础与单桩的外径之差，所述翼板顶部与重力式基础的下端齐平。

5.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩复合带翼重力式基础，其特征在于：所述翼板的数量为3～12个。

6.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩复合带翼重力式基础，其特征在于：所述翼板的宽度为1-3米，厚度为10-30mm。

7.一种海上风电单桩复合带翼重力式基础的施工方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

首先对安装位置处海床进行清淤、整平，随后将预制好的带有翼板的重力式基础通过自重下沉安放到相应位置，对护筒内的土体进行清理，将单桩打入；接着在带有翼板的重力式基础和单桩间浇灌高强混凝土材料，最后安装风机塔筒。

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