CN113356262B - 一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础和安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，包括单桩，单桩的内部设置桩内加强柱(10)，单桩和桩内加强柱(10)的下部打入海床泥面内，所述单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)的外壁通过T型钢相连接，所述T型钢在单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间沿单桩的内壁(1)环向间隔布置，在海床泥面的上方所述单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间具有水中灌浆段(7)，在海床泥面下方所述单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间、桩内加强柱(10)内具有入土灌浆区(9)。本发明将型钢结构与大直径单桩进行组合，并采用混凝土结构进行加强，提高单桩基础的整体刚度和强度。

Description

一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础和安 装方法

技术领域

本发明涉及海上风力发电机技术领域，具体涉及一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础。

背景技术

海上风电是重要的可再生能源，目前我国正在大力发展东南沿海地区的海上风电。风机基础作为风电机组的支撑体系，负责将上部风机荷载和基础自身受到的波浪荷载、水流荷载以及靠泊力和撞击力等传递到地基土中。风机基础在保证海上风电系统整体安全方面起着十分重要的作用。在众多的海上风机基础形式中，单桩基础结构形式简单，受力明确，施工速度快，在国内外风电场中得到广泛使用，占整个市场的65％以上。

然而单桩基础通常为全钢结构，结构柔性较大。在深水条件下，全钢结构的单桩基础变形大，整机频率低，无法满足设计要求。由于其强度较小，刚度低，在台风条件下极易造成局部屈曲，或者在长期循环荷载作用下造成风机单桩基础的疲劳和破坏，因此，目前全钢结构的单桩基础难以适用于水深超过40米海域。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础。本发明将型钢结构与大直径单桩进行组合，并采用混凝土结构进行加强，提高单桩基础的整体刚度和强度。

为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：

一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，其特征在于：包括单桩，单桩的内部设置桩内加强柱，桩内加强柱空心设置，单桩和桩内加强柱的下部打入海床泥面内，所述单桩的内壁与桩内加强柱的外壁通过T型钢相连接，所述T型钢在单桩的内壁与桩内加强柱之间沿单桩的内壁环向间隔布置，在海床泥面的上方所述单桩的内壁与桩内加强柱之间具有水中灌浆段，在海床泥面下方所述单桩的内壁与桩内加强柱之间、桩内加强柱内具有入土灌浆区。

进一步的：所述单桩的内壁上设置多个桩内剪力键，在高度方向上多个所述桩内剪力键在单桩的内壁上间隔布置，在同一高度上多个所述桩内剪力键沿单桩的内壁环向间隔布置。

进一步的：所述T型钢具有翼板和腹板，翼板与单桩的内壁相接，腹板与桩内加强柱外壁相接。

进一步的：所述单桩和桩内加强柱最下部之间的T型钢的底端低于海床泥面高度，并且，所述单桩内部被吸去一部分的海床土体，使得单桩内部的土体顶部低于桩内加强柱的底部，被吸去的海床土体被所述入土灌浆区替代。

进一步的：所述单桩和桩内加强柱最下部之间的T型钢在底部设置呈刀刃状的刃角。

进一步的：所述桩内剪力键的截面呈直角三角型设置，与直角边对应的这一侧与单桩的内壁相固定，桩内剪力键呈上宽下窄布置。

进一步的：所述单桩的内壁的下部设置支撑环板，支撑环板位于土灌浆区的顶部。

进一步的：所述桩内加强柱的壁厚与单桩的壁厚一致或接近一致。

本发明第二个目的在于提供一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础的安装方法，本发明采用以下技术方案：在岸上预制好所述大直径海上风机单桩基础，所述安装方法包括如下步骤：

S1、将单桩基础吊运至指定施工位置，通过吊机将单桩基础缓慢释放并接触海床泥面，并同步进行单桩基础打入的准备工作；通过液压打桩锤将单桩基础打入到指定深度；

S2、单桩基础打入至海床泥面下方的指定深度后，海床泥面下方的单桩的内壁与桩内加强柱之间、桩内加强柱内部会有土体涌入，对海床泥面下方所述单桩的内壁与桩内加强柱之间、桩内加强柱内的土体使用吸泥装置进行清淤吸取，吸取至入土灌浆区底部分界线；

S3、入土灌浆区的土体清淤完成后，从桩内加强柱的顶部对桩内加强柱内部的入土灌浆区进行混凝土灌浆，当灌浆高度到达支撑环板处后停止灌浆，当对桩内加强柱内部进行混凝土灌浆时，混凝土会从桩内加强柱的底部流入海床泥面下方的所述单桩与桩内加强柱之间的入土灌浆区；

S4、由单桩的内壁与桩内加强柱之间空隙的顶部，对海床泥面上方所述单桩的内壁与桩内加强柱之间的空隙进行混凝土灌浆，待混凝土凝固后完整安装。

进一步的：所述桩内加强柱底部高程高于入土灌浆区底部分界线的高程，所述支撑环板的高程高于桩内加强柱底部高程和入土灌浆区底部分界线的高程。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明的结构能够应用于水深超过40米以上的海域，本发明通过在全钢结构的大直径单桩中加入型钢，然后进行混凝土的粘结加固，可以大幅提高单桩基础的整体刚度和强度，提高风机的整机频率，提高风机基础的综合承载性能，使得大直径单桩适用于更深水深和更复杂海洋环境。

附图说明

图1是本发明的剖视图；

图2是本发明的单桩俯视图；

图3是本发明T型钢的结构示意图；

图4是本发明支撑环板俯视图；

图5是本发明装配完成后的俯视图；

图6是本发明装配完成后的主视图。

附图标记：1-单桩的内壁；2-桩内剪力键；3-T型钢；4-混凝土灌浆；5-腹板；6-刃角；7-水中灌浆段；8-入土未灌浆区；9-入土灌浆区；10-桩内加强柱；11-支撑环板；12-翼板；13-入土灌浆区底部分界线。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1至6所示，一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，包括单桩，单桩的内部设置桩内加强柱10，所述单桩为大直径的圆形管桩，单桩的内壁1一般是桩径的百分之一，桩内加强柱10空心设置，单桩1和桩内加强柱10的下部打入海床泥面内，所述单桩的内壁1与桩内加强柱10的外壁通过T型钢相连接，所述T型钢在单桩的内壁1与桩内加强柱10之间沿单桩的内壁1环向间隔布置，在本实施例中以每隔45°布置一道进行示意，在海床泥面的上方所述单桩的内壁1与桩内加强柱10之间具有水中灌浆段7，在海床泥面下方所述单桩的内壁1与桩内加强柱10之间、桩内加强柱10内具有入土灌浆区9。

所述单桩和桩内加强柱10最下部之间的T型钢的底端低于海床泥面高度，并且，所述单桩内部被吸去一部分的海床土体，使得单桩内部的土体顶部低于桩内加强柱10的底部，被吸去的海床土体被所述入土灌浆区9替代。在所述入土灌浆区9的下方为入土未灌浆区8(即未被吸去的部分海床土体)。所述水中灌浆段7和入土灌浆区9使用混凝土填实。

所述单桩的内壁1上设置多个桩内剪力键2，桩内剪力键2通过焊接固定到单桩的内壁1上，在高度方向上多个所述桩内剪力键2在单桩的内壁1上间隔布置，在同一高度上多个所述桩内剪力键2沿单桩的内壁1环向间隔布置。设置所述多个桩内剪力键2的目的在于，在灌浆后能与混凝土有更大的粘结面积，使混凝土与筒壁能够变形协调。

所述T型钢具有翼板12和腹板5，翼板12与单桩的内壁1相接，腹板5与桩内加强柱10外壁相接。

所述单桩和桩内加强柱10最下部之间的T型钢在底部设置呈刀刃状的刃角6，可以很大程度上减小贯入阻力。

所述桩内剪力键2呈直角三棱柱型设置，与直角边对应的这一侧与单桩的内壁1相固定，桩内剪力键2呈上宽下窄布置，可用于减小贯入过程中土体的摩擦阻力，同时也便于排气，有助于灌浆。

所述单桩的内壁1的下部设置支撑环板11，支撑环板11位于土体灌浆区9的顶部，在单桩1内距离海床泥面面1m的位置处设置。

所述单桩、桩内加强柱10和T型钢均是由多节单桩段、桩内加强柱段和T型钢的小分段依次焊接构成，在对多节单桩的小分段进行焊接时，先将桩内加强柱10的小分段、T型钢的小分段、桩内剪力键2对应焊接在单桩1的小分段内，然后再在对单桩1的小分段进行焊接。所述支撑环板11设置在单桩1下部的相邻两节单桩的小分段之间，并与单桩和桩内加强柱10焊接固定，所述支撑环板11用于支撑桩内加强柱10，并形成入土灌浆区9单桩筒壁和桩内加强柱10之间的桩内密闭空间，便于混凝土灌注。

所述桩内加强柱10的壁厚与单桩的内壁1的壁厚一致或接近一致。

综上，本发明所提供的一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，包括如下安装步骤：在岸上预制好所述大直径海上风机单桩基础，

S1、将单桩基础吊运至指定施工位置，通过吊机将单桩基础缓慢释放并接触海床泥面，并同步进行单桩基础打入的准备工作；通过液压打桩锤将单桩基础打入到指定深度；

S2、单桩基础打入至海床泥面下方的指定深度后，海床泥面下方的单桩的内壁1与桩内加强柱10之间、桩内加强柱10内部会有土体涌入，对海床泥面下方所述单桩的内壁1与桩内加强柱10之间、桩内加强柱10内的土体使用吸泥装置进行清淤吸取，吸取至入土灌浆区底部分界线13；

S3、入土灌浆区9的土体清淤完成后，对桩内加强柱10内部的入土灌浆区9进行混凝土灌浆4，当灌浆高度到达支撑环板11处后停止灌浆，当对桩内加强柱10内部进行混凝土灌浆4时，混凝土会从桩内加强柱10的底部流入海床泥面下方的所述单桩的内壁1与桩内加强柱10之间的入土灌浆区9；

S4、对海床泥面上方所述单桩的内壁1与桩内加强柱10之间的空隙进行混凝土灌浆4，待混凝土凝固后完整安装。

所述水中灌浆段7和入土灌浆区9的混凝土凝固后可将单桩、T型钢以及桩内加强柱10粘结起来，增强桩体的整体刚度和强度，提高单桩的固有频率。

所述桩内加强柱10底部高程高于入土灌浆区底部分界线13的高程，所述支撑环板11的高程高于桩内加强柱10底部高程和入土灌浆区底部分界线13的高程。

依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，并且能够产生本发明所记载的积极效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，其特征在于：包括单桩，单桩的内部设置桩内加强柱(10)，桩内加强柱(10)空心设置，单桩和桩内加强柱(10)的下部打入海床内，所述单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)的外壁通过T型钢相连接，所述T型钢在单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间沿单桩的内壁(1)环向间隔布置，在海床泥面的上方所述单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间具有水中灌浆段(7)，在海床泥面下方所述单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间、桩内加强柱(10)内具有入土灌浆区(9)；

所述单桩和桩内加强柱(10)最下部之间的T型钢的底端低于海床泥面高度，并且，所述单桩内部被吸去一部分的海床土体，使得单桩内部的土体顶部低于桩内加强柱(10)的底部，被吸去的海床土体被所述入土灌浆区(9)替代；

所述单桩的内壁(1)的下部设置支撑环板(11)。

2.根据权利要求1所述的一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，其特征在于：所述单桩的内壁(1)上设置多个桩内剪力键(2)，在高度方向上多个所述桩内剪力键(2)在单桩的内壁(1)上间隔布置，在同一高度上多个所述桩内剪力键(2)沿单桩的内壁(1)环向间隔布置。

3.根据权利要求1所述的一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，其特征在于：所述T型钢具有翼板(12)和腹板(5)，翼板(12)与单桩的内壁(1)相接，腹板(5)与桩内加强柱(10)外壁相接。

4.根据权利要求1所述的一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，其特征在于：所述单桩和桩内加强柱(10)最下部之间的T型钢在底部设置呈刀刃状的刃角(6)。

5.根据权利要求2所述的一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，其特征在于：所述桩内剪力键(2)的截面呈直角三角型设置，与直角边对应的这一侧与单桩的内壁(1)相固定，桩内剪力键(2)呈上宽下窄布置。

6.根据权利要求1所述的一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础，其特征在于：所述支撑环板(11)位于入土灌浆区(9)的顶部。

7.一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础的安装方法，其特征在于，在岸上预制好如权利要求1所述的大直径海上风机单桩基础，所述安装方法包括如下步骤：

S1、将单桩基础吊运至指定施工位置，通过吊机将单桩基础缓慢释放并接触海床泥面，并同步进行单桩基础打入的准备工作；通过液压打桩锤将单桩基础打入到指定深度；

S2、单桩基础打入至海床泥面下方的指定深度后，海床泥面下方的单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间、桩内加强柱(10)内部会有土体涌入，对海床泥面下方所述单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间、桩内加强柱(10)内的土体使用吸泥装置进行清淤吸取，吸取至入土灌浆区底部分界线(13)；

S3、入土灌浆区(9)的土体清淤完成后，从桩内加强柱(10)的顶部对桩内加强柱(10)内部的入土灌浆区(9)进行混凝土灌浆(4)，当灌浆高度到达支撑环板(11)处后停止灌浆，当对桩内加强柱(10)内部进行混凝土灌浆(4)时，混凝土会从桩内加强柱(10)的底部流入海床泥面下方的所述单桩(1)与桩内加强柱(10)之间的入土灌浆区(9)；

S4、由单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间空隙的顶部，对海床泥面上方所述单桩的内壁(1)与桩内加强柱(10)之间的空隙进行混凝土灌浆(4)，待混凝土凝固后完整安装。

8.根据权利要求7所述的一种采用型钢和混凝土加强的大直径海上风机单桩基础的安装方法，其特征在于：所述桩内加强柱(10)底部高程高于入土灌浆区底部分界线(13)的高程，所述支撑环板(11)的高程高于桩内加强柱(10)底部高程和入土灌浆区底部分界线(13)的高程。

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