CN114182751A - 一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础 - Google Patents

一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上风电深水桩‑锚柔性复合基础,包括局部加强单桩、锚链和抗拔吸力锚;局部加强单桩可按照风机正常运行荷载进行结构设计,从而大大降低了设计桩径,使深水区单桩的应用成为了可能;局部加强单桩与吸力锚通过锚索或锚链进行连接,当遭遇短期极限荷载作用时,吸力锚可提供较大抗拔力,从而在局部加强单桩的加强环高度处提供较大的抗倾覆力矩;由于锚索或锚链系在局部加强单桩的加强环处,吸力锚提供的抗拔力在加强环处产生水平分力,降低了环境荷载组合向海床面传导时的水平荷载,降低了环境荷载向下传递到海床面的倾覆力矩,使该基础形式在海平面以上就限制了水平变位,从而使风机整机在极限荷载下更易处于安全状态。

Description

一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础
技术领域
本发明属于钻井工程技术领域,具体来说涉及一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础。
背景技术
进入21世纪以来,全球经济有了高速的增长,而伴随着经济飞速增长的是能源消耗的大幅提高。以煤炭、石油、天然气等矿物燃料为代表的不可再生能源在不断地消耗,根据经济与社会学家的评估,到本世纪中叶,石油能源将开采殆尽,到时世界能源体系将面临巨大危机。为应对可能发生的能源危机,全球各国加大了对风能、光伏能、潮汐能、生物能等可再生能源的开发和投入。在可再生能源开发中,风能发电由于具有储量大、分布广的优势,成为目前全球新能源开发的重点。从发电机组布置的区位来分,风电场的开发分为陆上风电场和海上风电场。相较陆上风电而言,海上风电具有风速较高、风向稳定、湍流强度较小、土地成本较低、能源运输成本小等优点,因此,海上风电场的建设成为近期全球各国能源开发的主要方向。
海上风电建设中,风机基础的投入占比巨大,为了应对复杂的海上环境及降低风机基础造价,全球各国研究人员发明了多样的海上风电基础类型,其中应用较多的为单桩基础、筒型基础、高桩承台式基础和导管架式基础等。风机基础所受荷载包括正常运行荷载、极限荷载及疲劳荷载3大类,其中正常运行荷载为风机整机运行常年所受荷载,极限荷载为短期恶劣条件下基础所受最大荷载。目前基础设计中通常将极限荷载作为控制工况,而风机常年运行下所受荷载大大小于设计荷载。在过往风电场设计中,虽设计安全裕度较大,但由于风场环境条件相对较好,基础设计体型相对较小,基础尚可施工。随着风电场开发水深的加深和风机机组容量的增大,所需基础的结构强度大大增加,基础过渡段的设计高度也大大增加,宏观表现为设计桩径过大、设计筒体过大过重等。由于施工装备研究的滞后,造成目前深水区域单桩、筒型基础、高桩承台无法施工。目前,深水区域风电场以导管架式基础为主,但导管架式基础焊接点疲劳强度校核较为复杂,用钢量较大,导致该基础设计周期较长,且基础造价大大增加。而目前我国海上风电已大面积取消电价补贴,降本增效成为我国海上风电基础的主要发展趋势,海上风电产业的发展急需一种降低造价的关键基础结构。
发明内容
为解决以上问题,本发明提供一种以正常运行荷载作为主结构设计依据,以极限荷载作为基础整体设计依据的海上风电深水桩-锚柔性复合基础。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,包括局部加强单桩、锚链和抗拔吸力锚;
所述局部加强单桩包括钢制单桩、加强环和桩上高强吊耳,所述钢制单桩靠近顶部位置处在桩体外壁上固定安装加强环,所述加强环的四周设置桩上高强吊耳;
所述抗拔吸力锚分布设置在所述局部加强单桩的四周,所述抗拔吸力锚包括钢制裙板、钢制顶盖、锚上高强吊耳和加强梁系,所述钢制顶盖固定安装于所述钢制裙板的上端,所述钢制顶盖固的顶部中央设置锚上高强吊耳,所述钢制顶盖的下端面设置加强梁系;
所述桩上高强吊耳与各抗拔吸力锚的锚上高强吊耳之间通过锚链连接。
在上述技术方案中,所述钢制单桩桩长为50m-120m,桩外径为5m-12m,桩壁厚为20mm-150mm。
在上述技术方案中,所述加强环内径与单桩主结构外径相等,壁厚为10mm-150mm,环高为500mm-2000mm。
在上述技术方案中,所述桩上高强吊耳均布焊接在加强环上,数量为3-8个,高强吊耳高度为500mm-2000mm,厚度为20mm-150mm,可为单耳或双耳插销结构。
在上述技术方案中,所述锚链长度根据局部加强单桩与吸力锚设计距离而定,一般为单桩发生3‰倾斜后,单桩高强吊耳到吸力锚高强吊耳的距离。
在上述技术方案中,所述抗拔吸力锚均布在桩周,数量为3-8个,吸力锚中轴线到局部加强单桩中轴线的距离为10m-50m。
在上述技术方案中,所述钢制筒盖直径为2m-10m,筒盖厚度为10mm-100mm。
在上述技术方案中,所述钢制筒裙直径为2m-10m,高度为4m-20m,筒裙壁厚为10mm-100mm。
在上述技术方案中,所述锚上加强吊耳焊接于筒盖上,单个吸力锚上布置1个,高强吊耳高度为500mm-2000mm,厚度为20mm-150mm,可为单耳或双耳插销结构。
在上述技术方案中,所述加强梁系均布焊接于筒盖以下,以工字结构为主,工字梁数量为2-12根,工字梁腹板高度为100mm-1000mm,腹板厚度为10mm-150mm,翼缘宽度为50mm-1500mm,翼缘厚度为10mm-150mm。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明公开了一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,该复合基础中的局部加强单桩可按照风机正常运行荷载(约为极端荷载的1/2)进行结构设计,从而大大降低了设计桩径,使深水区单桩的应用成为了可能;局部加强单桩与吸力锚通过锚索或锚链进行连接,当遭遇短期极限荷载作用时,吸力锚可提供较大抗拔力,从而在局部加强单桩的加强环高度处提供较大的抗倾覆力矩;同时,由于锚索或锚链系在局部加强单桩的加强环处,吸力锚提供的抗拔力在加强环处产生水平分力,降低了环境荷载组合向海床面传导时的水平荷载,降低了环境荷载向下传递到海床面的倾覆力矩,使该基础形式在海平面以上就限制了水平变位,从而使风机整机在极限荷载下更易处于安全状态;遭遇极限荷载工况后,可复检锚索或锚链,更换方便,较好的保证了风机运行寿命;若风机遭遇超过设计荷载的工况时,吸力锚短期上拔承载能力较强,且破坏后可发生姿态调整,从而继续提供更大的抗拔力,保证主体结构-局部加强单桩的结构完整性,大大提高了风机基础使用寿命;同时,吸力锚顶盖与土之间有加强梁系,保证吸力锚顶盖与土之间有空隙,在类似于台风季的极端环境来临前,采用抽负压的方式加强吸力锚的抗拔作能力,同时,在风机基础服役期满后,向空隙中冲入高压气体使吸力锚自行拔出泥面,方便回收,一定程度解决了传统风机基础回收困难的问题。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为加强环局部放大结构示意图。
图3为图2中A-A向平面结构示意图。
图4为桩上高强吊耳结构示意图。
图5为钢制顶盖部放大结构示意图。
图6为图5中A-A向平面结构示意图。
附图标记:1、局部加强单桩;2、锚链;3、抗拔吸力锚;11、钢制单桩;12、加强环;13、桩上高强吊耳;31、钢制裙板;32、钢制顶盖;33、锚上高强吊耳;34、加强梁系。
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
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
如图1-6所示,本发明的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,包括局部加强单桩1、锚链2以及抗拔吸力锚3。
局部加强单桩1,包含钢制单桩11、加强环12和桩上高强吊耳13;锚链2,为可提供高破断力的高强钢制锚链;抗拔吸力锚3,包含钢制筒裙31、钢制顶盖32、锚上高强吊耳33和加强梁系34。
本实施例中,钢制单桩11上焊接有加强环12,钢制单桩11外径与加强环12内径相等,桩上高强吊耳13均布焊接在加强,12上,数量为3-8个;锚链2长度根据局部加强单桩1与抗拔吸力锚2设计距离而定,一般为单桩发生3‰倾斜后桩上高强吊耳13到锚上高强吊耳33的长度;抗拔吸力锚3均布在桩周,数量为3-8个,抗拔吸力锚3中轴线到局部加强单桩1中轴线的距离为10m-50m,锚上加强吊耳33焊接于钢制筒盖32上,单个抗拔吸力锚3上布置1个锚上加强吊耳33,加强梁系34均布焊接于钢制筒盖32以下,梁的数量为2-12根。
本实例的整体结构由局部加强单桩1、四组锚链2与四个抗拔吸力锚3组成(如图1),适用于30m深水。钢制单桩11桩长为80m,桩外径为8m,桩壁厚为80mm。加强环12内径与单桩11主结构外径相等,壁厚为60mm-150mm,环高为1000mm。四个桩上高强吊耳13均布焊接在加强环上,高强吊耳高度为1000mm,厚度为80mm,为单耳结构。
四个抗拔吸力锚3均布在桩周,抗拔吸力锚3中轴线到局部加强单桩1中轴线的距离为25m。钢制筒裙31的直径为6m,高度为12m,筒裙壁厚为25mm;钢制筒盖32的直径为6m,筒盖厚度为40mm;锚上加强吊耳33焊接于筒盖32上,高强吊耳33的高度为800mm,厚度为80mm,为单耳结构;加强梁系34均布焊接于筒盖32以下,为T型梁,T型梁数量为3根,T型梁腹板高度为500mm,腹板厚度为40mm,翼缘宽度为800mm,翼缘厚度为40mm。
锚链2穿过连接桩上高强吊耳13和锚上高强吊耳33,长度为43m。
该复合基础中的局部加强单桩1按照风机正常运行荷载进行结构设计,大大降低了设计桩径,使深水区单桩的应用成为了可能;局部加强单桩1与抗拔吸力锚3通过锚链2进行连接,当遭遇短期极限荷载作用时,抗拔吸力锚3可提供较大抗拔力,从而在局部加强单桩1的加强环12高度处提供较大的抗倾覆力矩;同时,由于锚链2系在局部加强单桩1的加强环12处,抗拔吸力锚3提供的抗拔力在加强环12处产生水平分力,降低了环境荷载组合向海床面传导时的水平荷载,从而减小了环境荷载向下传递到海床面的倾覆力矩,限制了基础在海平面以上的水平变位,从而使风机整机在极限荷载下更易处于安全状态;遭遇极限荷载工况后,可复检锚链2,更换方便,较好的保证了风机运行寿命;若风机遭遇超过设计荷载的工况时,抗拔吸力锚3瞬时抗拔承载能力较强,且破坏后可发生姿态调整,从而继续提供更大的抗拔力,保证局部加强单桩1的结构完整性,大大提高了风机基础使用寿命;同时,抗拔吸力锚3的钢制顶盖32与土之间有加强梁系34,保证钢制顶盖32与土之间有空隙,在类似于台风季的极端环境来临前,采用抽负压的方式加强抗拔吸力锚3的抗拔能力,同时,在风机基础服役期满后,向空隙中冲入高压气体使抗拔吸力锚3自行拔出泥面,方便回收,一定程度解决了传统风机基础回收困难的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于,包括局部加强单桩、锚链和抗拔吸力锚;
所述局部加强单桩包括钢制单桩、加强环和桩上高强吊耳,所述钢制单桩靠近顶部位置处在桩体外壁上固定安装加强环,所述加强环的四周设置桩上高强吊耳;
所述抗拔吸力锚分布设置在所述局部加强单桩的四周,所述抗拔吸力锚包括钢制裙板、钢制顶盖、锚上高强吊耳和加强梁系,所述钢制顶盖固定安装于所述钢制裙板的上端,所述钢制顶盖固的顶部中央设置锚上高强吊耳,所述钢制顶盖的下端面设置加强梁系;
所述桩上高强吊耳与各抗拔吸力锚的锚上高强吊耳之间通过锚链连接。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述钢制单桩桩长为50m-120m,桩外径为5m-12m,桩壁厚为20mm-150mm。
3.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述加强环内径与单桩主结构外径相等,壁厚为10mm-150mm,环高为500mm-2000mm。
4.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述桩上高强吊耳均布焊接在加强环上,数量为3-8个,高强吊耳高度为500mm-2000mm,厚度为20mm-150mm,为单耳或双耳插销结构。
5.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述锚链长度为单桩发生3‰倾斜后单桩高强吊耳到吸力锚高强吊耳的距离。
6.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述抗拔吸力锚均布在桩周,数量为3-8个,吸力锚中轴线到局部加强单桩中轴线的距离为10m-50m。
7.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述钢制筒盖直径为2m-10m,筒盖厚度为10mm-100mm。
8.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述钢制筒裙直径为2m-10m,高度为4m-20m,筒裙壁厚为10mm-100mm。
9.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述锚上高强吊耳高度为500mm-2000mm,厚度为20mm-150mm,为单耳或双耳插销结构。
10.根据权利要求1所述的一种海上风电深水桩-锚柔性复合基础,其特征在于:所述加强梁系为工字结构,工字梁数量为2-12根,工字梁腹板高度为100mm-1000mm,腹板厚度为10mm-150mm,翼缘宽度为50mm-1500mm,翼缘厚度为10mm-150mm。
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