CN113825904A - 用于离岸构筑物的结构接合部、用于组装该离岸框架构筑物的方法以及该结构接合部的应用 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于包括结构部件(1、2)的离岸框架构筑物的结构接合部。在结构部件(1、2)之间的结构接合部包括叉部(3)、耳部(4)和销钉(5)。所述叉部和所述耳部包括孔，孔设置为用于容纳所述销钉。还公开了一种用于组装包括结构部件(1、2)的离岸框架构筑物的方法，以及结构接合部在离岸风力涡轮机基础中用于结构的柱体和支架之间连接的应用。

Description

用于离岸构筑物的结构接合部、用于组装该离岸框架构筑物 的方法以及该结构接合部的应用
技术领域
本发明涉及一种用于离岸构筑物，特别是离岸风力涡轮机的构筑物的结构接合部。
此外本发明涉及用于组装该离岸框架构筑物的方法。
再则本发明涉及该结构接合部的应用。
背景技术
离岸风力涡轮机可以安装在不同类型的基础上。在浅水水深，基础通常首选为单桩，但在较大水深，基础需要为框架构筑物以提供足够的刚度。浮式离岸风力涡轮机的基础通常也被设计成框架构筑物。
这种框架构筑物可以做成格架构筑物或“导管架”构筑物，例如三脚架、四面体浮动装置或者由柱体或支架在节点处组装成的其他类型的构筑物。框架构筑物由于其刚度与材料利用率较高，通常具有良好的力学性能，而且它们相对于单桩而言具有更好的成本效益。
柱体和支架在节点处的连接是离岸框架构筑物的一个挑战。传统的离岸框架构筑物中，柱体和支架均为圆柱形截面的空心钢管，接合部采用焊接方式。由于非轴向管道接合部复杂的几何形状，焊接只能手动完成，而且由于支架内部一般难以靠近，所以不能从两侧进行焊接。由此焊接质量只能算中等水平。接合部的几何不规则性导致了明显的几何应力集中，而中等质量的焊缝和几何应力集中的组合使得在接合部处的结构构件需要超大尺寸，由此导致该构件重量比平常的更重。此外，尽管有些部件可以预制，但整个施工过程中大部分焊接过程是就地进行的，通常为造价昂贵的地点，例如干船坞或码头边。因此，通过焊接组装离岸框架构筑物是个时间漫长且费用昂贵的过程，经常占用宝贵的空间达数周甚至数月。
EP2067914A1公开了一种导管架结构，包括若干成角度对齐的柱体和若干支架，其中节点是由钢铸件制造的。如此一来，节点的接合部本身不是焊接成的。柱体和支架通过焊接连接到节点铸件，但相对于传统焊接管的接合部的优势在于，焊缝远离几何应力集中的位置，并以简单的周向焊缝进行焊接。因此，制造该框架构筑物可以有更高的焊缝质量并且降低对大尺寸的要求。然而，EP2067914A1所公开的装置并没有显著地减少现场制造的时间。
EP2535312B2公开了一种用于离岸构筑物的导管架构筑物，其中柱体和支架是通过螺栓连接的。用于接合部的连接件优选为铸铁件。这种装置消除了现场焊接的需要，从而大大节省了组装时间。然而，由于其依赖于螺栓，因此引入了通常需要维护的连接部件。众所周知，浸泡在水下的动态加载的螺栓连接的长期使用能力是很成问题的。因此，易于组装节点这一应对挑战的解决方案似乎是以引入额外的维护为代价获得的。
一种解决方案可以是在柱体和支架之间采用销钉接合部进行连接。销钉接合部包括附接至一个部件的耳部和附接至另一部件的叉部。销钉穿过耳部和叉部用来连接两个部件。销钉接合部(耳部或叉部)相关的连接部件可以预先制造并结合在柱体和支架中合适的位置处，如此，快速组装会在造价昂贵的承载地点，例如干船坞或码头边得以实现。
销钉接合部广泛用于陆上框架构筑物中，例如巴黎的蓬皮杜中心和比隆机场。销钉接合部也用于更灵活的结构装置中，如用于慕尼黑机场中心上方的顶棚支撑结构。
销钉接合部用于需要维护的离岸应用，例如系泊缆绳的导缆器连接。然而，销钉接合部并没有用于离岸框架构筑物的结构接合部。
发明目的
本发明的目的在于提供一种用于离岸框架构筑物，例如导管架、三脚架、四面体浮动装置或者由在节点处组装的柱体和支架组成的其他类型的离岸框架构筑物的结构接合部，并且该结构接合部可克服上述缺点。
此外，本发明的目的是提供一种使用该结构接合部组装该离岸框架构筑物的组装方法。
发明内容
这些目的通过以下所述的特征以及权利要求中进一步阐明的特征来实现的。
在第一个方面，本发明涉及一种在结构部件之间用作连接的销钉接合部，结构部件可以为柱体和支架的形式。
根据本发明的结构接合部的特殊之处在于，结构部件之间的结构接合部包括叉部、耳部和销钉，其中所述叉部和所述耳部包括孔，孔设置为用于容纳所述销钉。结构部件由此互相连接。这种结构接合部可以被表示为销钉接合部。
该结构接合部应用在离岸风力涡轮机基础中是有利的，用于连接柱体和支架。
在第二个方面，本发明涉及一种组装用于离岸框架构筑物的销钉接合部的方法。
组装包括结构部件的离岸框架构筑物的方法，特有地包括以下步骤：
-将结构部件放置在有待组装位置附近；
-将设置在第一结构部件上的耳部插入设置在第二结构部件的叉部中；和
-通过将销钉插入所述叉部和所述耳部中设置的对准的孔来完成组装，孔设置为用于容纳所述销钉。
在一个实施例中，接合部与陆上框架构筑物中使用的销钉接合部类似，具有附接至一个部件的耳部和附接至另一个部件的叉部。销钉穿过耳部和叉部上设置的对准孔以此接合两个部件。销钉接合部的关联接合部件(耳部或叉部)可以预制或者在合适的位置处结合在柱体及支架中。这可实现其在造价昂贵的承载地点，例如在干船坞或在码头边，进行快速组装。耳部、叉部和销钉可以由钢制成。
作用在结构部件上的水动力可能引起销钉与耳部、叉部之间的微小运动。这种微小的运动可能引起磨损和腐蚀，并且在海底环境中，由于部件之间的狭窄间隙的屏蔽，阴极保护未必能起到保护作用。这就会存在风险，即需要大量的、费用高昂的维护，尤其是对于水下的接合部的维护。
本领域技术人员应当理解，腐蚀应被理解为包括海底环境在内的离岸环境中的腐蚀。此外，本领域技术人员应当理解，非腐蚀应被理解为在包括海底环境的离岸环境中是不腐蚀的。
这个潜在的问题在本发明的另一实施例中得到了缓解。在该实施例中，所述叉部和所述耳部包括滑动表面，滑动表面装有用作轴承的衬套。销钉由抗腐蚀的材料制成，并且在耳部和/或叉部中的滑动表面装有用作轴承的衬套。这样就避免了在配合表面发生磨损和腐蚀的风险。
抗腐蚀的销钉可以包括钢制主体，钢制主体被抗腐蚀材料制成的衬套部分或全部包围住，或者抗腐蚀的销钉可以完全由抗腐蚀的材料制成。这种材料可以是复合材料或者是金属的，例如铝青铜或625合金。抗腐蚀的金属材料的电化学势不同于钢的电化学势，并且如果用作轴承的衬套也是金属的，这可能会导致销钉和衬套之间和/或衬套与耳部或叉部之间发生电化腐蚀。这种电化腐蚀的风险可以通过使用由非导电材料制成的衬套来减轻，例如如玻纤增强塑料、PEEK(聚醚醚酮)或某些其他类型的塑料、愈创木、橡胶等非导电材料。
根据另一实施例，该结构接合部特殊之处在于该销钉具有抗腐蚀的表面，这种表面被制成包层或套管通过焊接或收缩或胶合或以其他方式固定在由不同材料制成的销钉上，或者抗腐蚀表面与销钉连续，销钉整体由抗腐蚀的材料制成。
由于循环水动力荷载，销钉接合部可能经历荷载反转。结果导致轴承和销钉之间可能发生磨损，特别是如果水中有大量颗粒时。
这个潜在的问题在本发明的另一实施例中得到了减轻。在这个实施例中，销钉与轴承之间建立了过盈配合。
过盈配合可以通过多种装置形成，例如扩张装置，其中销钉通过内部锥形部件的轴向运动而扩张，或者通过简单地使销钉本身制成锥形并将销钉轴向推入轴承中直至获得所需的过盈配合来扩张销钉。
理想的配合可以是过盈配合的表面压力足以确保在极端荷载下，轴承未加载的表面不会从销钉上脱落。在这种程度的配合下，轴承的表面从不离开销钉的表面，由此防止任何颗粒进入轴承。可选的配合可以是过盈配合的表面压力足以确保在常规荷载下，轴承未加载的表面不会从销钉上脱落。在这种程度的配合下，轴承的表面在常规条件下从不离开销钉的表面，只有在极端荷载条件下颗粒会进入轴承。
在接合部的平面外受荷载的情况下，销钉接合部的轴承可能收到边缘荷载，其中平面限定为垂直于销钉的轴线的平面。这种平面外受荷载的情况可能由于例如轴承未对齐而发生，或者作为由销钉接合部接合的部件上水动力荷载的结果。
这种边缘荷载可以通过适当形成端部离隙的轴承滚道，或通过使销钉略微呈桶状，或者通过二者的结合来减少。
在本发明的另一实施例中，轴承为球面轴承，由此消除了边缘荷载的风险，除了由于轴承内摩擦而产生的不可避免的荷载之外。插入耳部的球面轴承是一种包括外球面内部件和内球面外部件的球面轴承。
在本发明的另一实施例中，轴承做成弹性轴承，例如橡胶套管。套管可插入销钉和耳部之间，和/或插入在销钉和叉部之间。套管可以插入内金属套管和/或外金属套管中，或者套管可以在内金属套管和/或外金属套管中硫化。
销钉接合部可以做成单个接合部，或者也可以做成双接合部或多接合部。在优选实施例中，销钉接合部做成铰链。
附图说明
在下面的附图中描述了优选实施例的示例，其中:
图1示出了根据本发明的第一示范性实施例创造性结构接合部的结构示意图；
图2示出了根据本发明的第一示范性实施例创造性结构接合部的剖视图；
图3示出了根据本发明的第二示范性实施例创造性结构接合部的剖视图；
图4示出了根据本发明的第三示范性实施例创造性结构接合部的剖视图；
图5示出了根据本发明的第四示范性实施例创造性结构接合部的剖视图；
图6示出了根据本发明的第五示范性实施例创造性结构接合部的剖视图；
图7示出了根据本发明的第六示范性实施例创造性结构接合部的剖视图；
图8示出了根据本发明创造性结构接合部的第一构造的示意图；以及
图9示出了根据本发明创造性结构接合部的不同构造的示意图。
具体实施方式
在附图中，相似或相应的元件用相同的附图标记表示。
图1示出了根据本发明的第一示范性实施例创造性结构接合部的结构示意图。柱体1和支架2之间通过销钉接合部接合。销钉接合部包括附接至柱体1的两个叉部3、附接至支架2的耳部4和销钉5。
图2示出了根据本发明的第一示范性实施例创造性结构接合部的剖视图。叉部3与耳部4通过销钉5接合。叉部3、耳部4和销钉5可以由钢制成。
图3示出了根据本发明的第二示范性实施例创造性结构接合部的剖视图。此处，轴承6插入耳部4中。销钉可以由钢制成或者其可以由例如玻璃纤维增强塑料、铝青铜或625合金等抗腐蚀材料制成。抗腐蚀材料可以是收缩、胶合或以其他方式附着在钢制销钉上的包层，或者销钉可以整体由抗腐蚀材料制成。轴承可以是金属的或者可以由非导电的复合材料制成，如玻璃纤维增强塑料或聚醚醚酮(PEEK)。
图4示出了根据本发明的第三示范性实施例创造性结构接合部的剖视图。如在本发明的第二示范性实施例中，轴承6插入耳部4中。此外，轴承7插入叉部3中。进一步地，轴向轴承8插入叉部3和耳部4之间以确保销钉接合部也能够承受轴向荷载。
图5示出了根据本发明的第四示范性实施例创造性结构接合部的剖视图。此处，插入耳部4的轴承为球面轴承，包括外球面内部件9和内球面外部件10。
图6示出了根据本发明的第五示范性实施例创造性结构接合部的剖视图。此处，插入耳部4的轴承6和插入叉部3的轴承7内部都是锥形，并且销钉5也同样为锥形。当插入到如图所示的组装位置时，销钉5强力地压入配合于轴承6和7，由此消除轴承游隙并防止磨损颗粒的浸入。
图7示出了根据本发明的第六示范性实施例创造性结构接合部的剖视图。此处，使用了弹性轴承，弹性轴承包括安装在外金属套管12和内金属套管13之间的橡胶套管11。
图8和图9示出了根据本发明创造性结构接合部的两种不同构造。
图8示出了接合柱体1和支架2的单个销钉接合部。
图9示出了接合柱体1和支架2的双销钉接合部。此处，销钉具有共用的纵轴14，使得接合部成为铰链。
上述对优选实施例和其他实施例的描述并非旨在限制或约束所公开的发明构思的范围或适用性。受益于本申请，应当理解的是本申请公开的其中一个实施方案描述的细节可以与本申请的其他实施方案组合或在本申请的其他实施方案中使用，即使这种组合或使用在本文公开的其他实施例中可能没有明确地示出或叙述。作为公开本文包含的发明构思的交换，申请人希望获得所附权利要求提供的所有专利权。因此，所附权利要求意在包括落入所附权利要求或其等同物的范围内的所有修改和变更。

Claims (25)

1.一种用于包括结构部件(1、2)的离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述结构部件(1、2)之间的结构接合部包括叉部(3)、耳部(4)和销钉(5)，所述叉部和所述耳部包括孔，所述孔设置为用于容纳所述销钉(5)。
2.根据权利要求1所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述叉部和所述耳部中的孔包括滑动表面，所述滑动表面配备有用作轴承(6)的衬套。
3.根据权利要求1或2所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述耳部和所述叉部之间插设有一个或多个轴向轴承(8)。
4.根据权利要求1到3任一项或多项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述销钉(5)具有抗腐蚀表面，所述抗腐蚀表面被制成包层或套管以焊接或收缩或胶合或以其他方式固定在由不同材料制成的销钉(5)上，或者所述抗腐蚀表面与销钉(5)相连，所述销钉(5)整体由抗腐蚀的材料制成。
5.根据权利要求4所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述销钉(5)具有由衬套包围的钢制主体，所述衬套由以下之一的材料制成：
-铝青铜，或者
-625合金。
6.根据权利要求4所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述销钉(5)具有由衬套包围的主体，所述衬套由以下之一的非导电材料制成：
-玻璃纤维增强塑料，
-PEEK，
-塑料，
-愈创木，或者
橡胶。
7.根据权利要求2到4任一项或多项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述轴承(6)可以是金属的，或者它可以由不导电材料制成。
8.根据权利要求2到4任一项或多项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，插入所述耳部(4)的轴承为球面轴承(10)，所述球面轴承包括外球面内部件(9)和内球面外部件(10)。
9.根据权利要求2到4任一项或多项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述轴承(6)为弹性轴承。
10.根据权利要求2到4任一项或多项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，橡胶套管(11)可以插入内金属套管(13)和/或外金属套管(12)中，或者所述橡胶套管(11)在所述内金属套管(13)和/或所述外金属套管中(12)硫化。
11.根据权利要求2到10任一项或多项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述销钉(5、9)和轴承(6、10)之间形成过盈配合。
12.根据权利要求11所述的离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，过盈配合通过扩张装置形成，所述销钉(5)在所述扩张装置中扩张。
13.根据权利要求11所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，过盈配合通过锥形的所述销钉(5)形成。
14.根据前述权利要求中任一项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述销钉的接合部可建立为单个接合部、双接合部或多接合部或者铰链。
15.根据权利要求1到14任一项或多项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，相应的所述叉部(3)和所述耳部(4)是预先制造并结合于相应的结构部件(1、2)处的预制构件。
16.根据权利要求1到14任一项或多项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述叉部(3)和一个结构部件(1)形成一体件，以及所述耳部(4)和另一个结构部件(2)形成一体件。
17.根据前述权利要求中任一项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，插入所述耳部(4)的轴承(6)为球面的，所述轴承(6)包括外球面内部件(9)和内球面外部件(10)。
18.根据前述权利要求中任一项所述的用于离岸构筑物的结构接合部，其特征在于，所述耳部(4)中设有轴承(6)，所述叉部(3)中设有轴承(7)，并且叉部(3)与耳部(4)之间设有轴向轴承(8)。
19.根据前述权利要求中任一项所述的结构接合部的应用，其中在离岸构筑物中，一个结构部件(1)为柱体，另一个结构部件(2)为支架。
20.根据前述权利要求中任一项所述的结构接合部在离岸风力涡轮机基础中的应用，所述结构接合部用于连接柱体和支架。
21.一种用于组装包括结构部件(1、2)的离岸框架构筑物的方法，所述方法包括以下步骤：
-将所述结构部件(1、2)放置在有待组装位置附近；
-将设置在第一结构部件(2)上的所述耳部(4)插入设置在第二结构部件(1)的所述叉部(3)中；和
-通过将所述销钉(5)插入所述叉部(3)和所述耳部(4)中设置的对准的孔来完成组装，所述孔设置为用于容纳所述销钉(5)。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述耳部(4)和/或叉部(3)为销钉(5)设有轴承(6、7、8、10)，其中，通过进一步在所述销钉(5、9)和轴承(6、10)之间建立过盈配合来完成组装步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，通过在所述扩张装置(5)中扩张销钉(5)来实现过盈配合的步骤。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，通过将锥形销钉(5)轴向推入轴承中直到获得预期的过盈配合来实现过盈配合的步骤。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，组装是在干船坞或码头边进行，并且组装还包括在相应的所述结构部件(1，2)的适当位置处并入预制的耳部(4)和叉部(3)。
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