CN114351697B - 用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩及其施工方法，混凝土筒桩包括钢筋笼骨架，钢筋笼骨架采用双层双向混合配筋方式，包括外圈层、内圈层以及将外圈层、内圈层连接成一体的连接层；外圈层包括外圈层纵筋、外圈层箍筋，内圈层包括内圈层纵筋以及内圈层箍筋；外圈层纵筋、内圈层纵筋之间通过拉筋拉结，各拉筋构成所述的连接层。因此，本发明可以有效降低海水与盐雾对风机基础腐蚀和海洋生物对结构基础的破坏，较好地解决了风机基础抗腐蚀的难题，并采用混凝土基材可以降低工程成本，方便施工，在平价降本压力下，降低运维成本，提高运维效率。

Description

用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩及其施工方法

技术领域

本发明涉及领域是海上风电桩基基础工程技术领域，特别是涉及一种用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩及其施工方法。

背景技术

我国海上风电资源丰富，同时具有运行效率高、输电距离短、就地消纳方便、不占用土地、适宜大规模开发等特点，海上风电将成为我国大力发展可再生能源的必然选择。在保障海上风电能够安全稳定运行的各项变量中，基础工程是其中非常重要的一个。由于海上施工条件、运行环境等特殊性，结构的基础工程的稳定、耐久和经济性显得尤为重要。

海上风电基础工程采用桩基作为其基础形式，而其中钢管桩因其承载力高、强度大等优点在目前到较为广泛的应用。但由于海水含盐溶度一般在3％左右，是天然的强电解质。大部分金属材料都会受海水或海洋大气环境的腐蚀，并且材料的耐腐蚀性随暴露条件的不同会发生很大的变化。由于其自身耐久性限制或环境变化，钢管桩防腐系统在工作过程中常会出现不满足使用要求的情况。其中，钢管桩涂层破损是最常见的问题。钢管桩防腐蚀系统在海洋环境中工作时，受众多因素的影响，会发生劣化或失效现象，影响结构耐久性和安全性。同时钢管桩具有重量大、成本高等问题。由于我国海上风电，国家补贴将全面退出，对海上风电工程的造价提出更高的要求。

而钢筋混凝土预应力筒桩具有造价低、耐腐蚀、抗锈蚀能力强等优点，同时可工厂化预制施工，保证了桩体质量。但由于海上风电桩基础承受较大的水平力，对桩身的极限承载力状态和正常使用状态提出更高的要求。经计算，海上风电桩基所受的弯矩较大，现阶段已有的预应力混凝土桩直径小、壁厚较薄，其抗裂容许弯矩难以满足海上风电桩基础所承受的弯矩；现有预应力混凝土桩型号、配套施工模具、筒桩截面配筋方式不满足海上风电发展的需求。

除此，由于海上风电的桩基，沉桩过程中振动工艺下导致桩侧土体有效应力减小；沉桩荷载的反复循环造成的侧阻疲劳退化等导致桩身侧摩阻力和桩端阻力不能有效发挥。现广泛应用的后压浆技术可解决该问题，但后压浆技术较多应用在灌注桩或陆地上。

以上问题亟待解决。

发明内容

本发明提出的新方案是采用超大直径预应力混凝土筒桩作为一种新型海上风电桩基类型，替代目前大规模使用的纯钢管桩桩基，以解决钢管桩易受侵蚀、腐蚀及重量大、成本高等问题。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，包括筒桩本体，所述的筒桩本体包括钢筋笼骨架，所述的钢筋笼骨架，采用双层双向混合配筋方式，包括外圈层、内圈层以及将外圈层、内圈层连接成一体的连接层；外圈层包括外圈层纵筋、外圈层箍筋，内圈层包括内圈层纵筋以及内圈层箍筋；其中，所述的外圈层纵筋采用预应力筋、非预应力筋混合间隔布置，并通过外圈层箍筋围箍，内圈层纵筋则为非预应力筋，并通过内圈层箍筋围箍；所述的外圈层纵筋、内圈层纵筋一一对应布置，且处于对应位置处的外圈层纵筋、内圈层纵筋之间通过拉筋拉结，各拉筋构成所述的连接层。

优选地，所述的外圈层纵筋均匀布置。

优选地，所述的外圈层箍筋、内圈层箍筋均为螺旋箍筋。

优选地，所述的混凝土筒桩的弯矩设计值M满足：

式中：A-混凝土筒桩桩身横截面面积；

A_p-全部预应力钢筋的截面面积；

A_s1、A_s2-分别指非预应力筋在外圈层、内圈层的钢筋截面面积；

f_py、f′_py-预应力钢筋的抗拉、抗压设计强度；

f_y、f′_y-非预应力筋的抗拉、抗压设计强度；

f_c-混凝土筒桩的轴心抗压强度标准值；

σ_p0-预应力钢筋合力点处混凝土筒桩法向应力等于零时的预应力钢筋应力；

r_p-纵向预应力钢筋所在圆的半径；

r_s1、r_s2-非预应力筋所在外圈层、内圈层的半径；

r₁、r₂-混凝土筒桩的环形截面的内、外半径；

φ、φt分别为混凝土筒桩的截面承压区与受拉区1/2包角，时，/>

α₁-系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α₁取为1.0，当混凝土强度等级为C80时，α₁取为0.94，其间按线性内插法确定。

优选地，还包括后压浆装置；后压浆装置包括压浆分配器、外圈层压浆管、内圈层压浆管、压浆分配管的进口接头以及软管；所述外圈层压浆管包括有若干根，各外圈层压浆管均沿着外圈层箍筋的内侧均匀分布并与外圈层箍筋固定连接在一起；所述内圈层压浆管的数量与外圈层压浆管的数量一致，并一一对应布置，各内圈层压浆管均沿着内圈层箍筋的外侧均匀分布并与内圈层箍筋固定连接在一起；

每一根外圈层压浆管、内圈层压浆管，均包括竖直段、上水平段以及下水平段；竖直段沿着筒桩本体的竖向布置，上水平段以及下水平段均沿着筒桩本体的水平方向布置，且上水平段设置于竖直段的上端，并能够延伸出筒桩本体的内壁，而下水平段则设置于竖直段的下端，并能够延伸出筒桩本体的外壁；

针对对应位置处的外圈层压浆管、内圈层压浆管，均配置一个压浆分配器，以与相应的外圈层压浆管、内圈层压浆管的上水平段对应连接；

压浆分配器的进口端与布置在筒桩本体内侧的软管连接。

优选地，外圈层压浆管、内圈层压浆管、外圈层纵筋以及内圈层纵筋之间，均相互错开布置，且外圈层压浆管、内圈层压浆管一一对应设置。

优选地，所述的压浆分配器通过螺纹配合连接的方式分别与布置在筒桩本体内侧的软管连接。

优选地，所述的各外圈层压浆管、内圈层压浆管的底端，均在达到设计高度时朝向混凝土筒桩的外侧弯折，同时，外圈层压浆管的底端高于内圈层压浆管的底端。

优选地，各外圈层压浆管、内圈层压浆管的底端端口处均安装单向阀门，所述单向阀门仅向混凝土筒桩的外侧单方向开启。

本发明的另一个技术目的是提供一种用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩的施工方法，包括以下顺序进行的工序：

A、绑扎钢筋笼骨架；

其中：所述的钢筋笼骨架采用双层双向混合配筋方式，包括外圈层、内圈层以及将外圈层、内圈层连接成一体的连接层；外圈层包括外圈层纵筋、外圈层箍筋，内圈层包括内圈层纵筋以及内圈层箍筋；其中，所述的外圈层纵筋采用预应力筋、非预应力筋混合间隔布置，并通过外圈层箍筋围箍，内圈层纵筋则为非预应力筋，并通过内圈层箍筋围箍；所述的外圈层纵筋、内圈层纵筋一一对应布置，且处于对应位置处的外圈层纵筋、内圈层纵筋之间通过拉筋拉结，各拉筋构成所述的连接层；

B、在钢筋笼骨架上，固定外圈层压浆管、内圈层压浆管；

其中：所述外圈层压浆管包括有若干根，各外圈层压浆管均沿着外圈层箍筋的内侧均匀分布并与外圈层箍筋固定连接在一起；所述内圈层压浆管的数量与外圈层压浆管的数量一致，并一一对应布置，各内圈层压浆管均沿着内圈层箍筋的外侧均匀分布并与内圈层箍筋固定连接在一起；

每一根外圈层压浆管、内圈层压浆管，均包括竖直段、上水平段以及下水平段；竖直段沿着筒桩本体的竖向布置，上水平段以及下水平段均沿着筒桩本体的水平方向布置，且上水平段设置于竖直段的上端，并能够延伸出筒桩本体的内壁，而下水平段则设置于竖直段的下端，并能够延伸出筒桩本体的外壁；

C、采用后张法施工工艺，完成预应力混凝土筒桩预应力的施加；

D、以步骤B预埋的外圈层压浆管、内圈层压浆管为基础，在现场完成后压浆装置的其它辅助部件组装，通过后压浆施工工艺完成混凝土筒桩的现场施工。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明考虑到所述混凝土筒桩的实际应用场景(海上风电工程)，设计了大直径(直径≥6m)的混凝土筒桩，克服了目前常规小直径预应力混凝土桩(直径≤1m)的抗弯能力差、竖向承载力低、耐锤击性差、抗渗性差、单桩桩身稳定性差等缺陷；

2、本发明所述的混凝土筒桩，壁厚较厚，钢筋笼骨架采用双层双向混合配筋方式，提高了桩身稳定性及抗弯能力，克服横向刚度弱、整体性差及由壁厚较厚造成易开裂的缺陷，从而有效地提高了大直径混凝土筒桩桩身强度和承载能力。

3、本发明基于所设计的采用双层双向混合配筋方式的混凝土筒桩结构，充分考虑混凝土筒桩的实际应用场景需求，通过合理设计混凝土筒桩中各纵筋(内圈层纵筋、外圈层纵筋)的钢筋类型及其分布，以得到满足需要的混凝土筒桩的弯矩设计值。

4、所述混凝土筒桩配置后压浆装置，满足压浆需求，以更好地提高桩基承载力和减少沉降，降低造价，提高能效。

附图说明

图1为本发明所述的超大直径预应力混凝土筒桩的截面配筋示意图；

图2a为本发明所述的超大直径预应力混凝土筒桩中压浆管的布置结构示意图；

图2b为图2a的Ⅱ-Ⅱ截面图；

图3为弯矩计算筒桩截面受力简图；

图1、图2a、图2b中：1-钢筋笼骨架；201-外圈层纵筋的预应力筋；202-外圈层纵筋的非预应力筋；203-外圈层箍筋；204-拉筋；301-内圈层纵筋；302-内圈层箍筋；

4-外圈层压浆管；5-内圈层压浆管；6-软管；7-螺纹接口；8-压浆分配器；91-上水平段；92-下水平段。

图3中：Ⅰ-受压区；Ⅱ-受拉区；

图4是本发明图1中后压浆装置的局部放大示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图本发明做详细说明。

如图1-3所示，本发明所述的超大直径预应力混凝土筒桩，包括筒桩本体，在施工时，主要包括以下顺序进行的工序：A、绑扎钢筋笼骨架1；B、在钢筋笼骨架1上，固定后压浆装置的主体构件-外圈层压浆管4、内圈层压浆管5；C、采用后张法施工工艺，促使成型混凝土筒桩满足预设的预应力；D、以步骤B预埋的外圈层压浆管4、内圈层压浆管5为基础，在现场完成后压浆装置的其它辅助部件组装，通过后压浆施工工艺完成混凝土筒桩的现场施工。

以下将以上述的施工流程为基础，详细地说明本发明所述的混凝土筒桩具体构造。

筒桩制作工艺和施工工艺的发展，比如重型工程机械的发展等，使得符合海上风电工程桩基础的超大直径筒桩制作和施工得以实现。所述超大直径及所述较厚壁厚，若采用传统单层单方向配筋，易导致刚度弱、整体性差及易开裂，从而削弱桩身强度和承载能力。因此，步骤A中，所搭建的钢筋笼骨架1，其截面配筋如图1所示，采用双层双向混合配筋方式，包括外圈层、内圈层以及将外圈层、内圈层连接成一体的连接层；外圈层包括外圈层纵筋、外圈层箍筋203，内圈层包括内圈层纵筋301以及内圈层箍筋302；其中，所述的外圈层纵筋采用预应力筋201、非预应力筋202混合间隔布置，并通过外圈层箍筋203围箍，内圈层纵筋301则为非预应力筋，并通过内圈层箍筋302围箍，且处于对应位置处的外圈层纵筋、内圈层纵筋301之间通过拉筋204拉结，各拉筋204构成所述的连接层。另外，本发明中，外圈层箍筋203、内圈层箍筋302则均采用螺旋筋。所述超大直径预应力混凝土筒桩，采用超大直径、较厚壁厚以抵抗较大的弯矩作用。附图中，D为筒桩本体的外径，D1为筒桩本体的内径，t为筒桩本体的壁厚，L为筒桩本体的桩长，Dp为筒桩本体中预应力筋201(外圈层纵筋)所在位置的直径。

为使得本发明所述的混凝土筒桩满足需求，所述混凝土筒桩的弯矩设计值M满足：

式中：A-混凝土筒桩桩身横截面面积；

A_p-全部预应力钢筋的截面面积；

A_s1、A_s2-分别指非预应力筋在外圈层、内圈层的钢筋截面面积；

f_py、f′_py-预应力钢筋的抗拉、抗压设计强度；

f_y、f′_y-非预应力筋的抗拉、抗压设计强度；

f_c-混凝土筒桩的轴心抗压强度标准值；

σ_p0-预应力钢筋合力点处混凝土筒桩法向应力等于零时的预应力钢筋应力；

r_p-纵向预应力钢筋所在圆的半径；

r_s1、r_s2-非预应力筋所在外圈层、内圈层的半径；

r₁、r₂-混凝土筒桩的环形截面的内、外半径；

φ、φt分别为混凝土筒桩的截面受压区Ⅰ与受拉区Ⅱ的1/2包角， 时，/>

α₁-系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α₁取为1.0，当混凝土强度等级为C80时，α₁取为0.94，其间按线性内插法确定。

步骤B中，以钢筋笼骨架1为基础而布置的后压浆装置的主体构件——外圈层压浆管4、内圈层压浆管5：

如图2所示，所述外圈层压浆管4包括有若干根，各外圈层压浆管4均沿着外圈层箍筋203的内侧均匀分布并与外圈层箍筋203固定连接在一起；所述内圈层压浆管5的数量与外圈层压浆管4的数量一致，并一一对应布置，各内圈层压浆管5均沿着内圈层箍筋302的外侧均匀分布并与内圈层箍筋302固定连接在一起；另外，外圈层压浆管4、内圈层压浆管5、外圈层纵筋以及内圈层纵筋301之间，均相互错开布置，且外圈层压浆管4、内圈层压浆管5一一对应设置。

所述的每一根外圈层压浆管4、内圈层压浆管5，均包括竖直段、上水平段91以及下水平段92；竖直段沿着筒桩本体的竖向布置，上水平段91以及下水平段92均沿着筒桩本体的水平方向布置，且上水平段91设置于竖直段的上端，并能够延伸出筒桩本体的内壁，而下水平段92则设置于竖直段的下端，并能够延伸出筒桩本体的外壁。其中，上水平段91的设置，目的是为防止桩基成型过程中，振捣操作损伤各外圈层压浆管4、内圈层压浆管5的顶端。而下水平段92的设置，则是为满足成桩要求，在竖直段达到设计高度时朝向混凝土筒桩的外侧弯折而形成，同时，外圈层压浆管4的下水平段92高于内圈层压浆管5的下水平段92。不同竖直段可以布置在不同高度，用于不同高度土层的加固。

沉桩过程中，锤击(或振动)力作用于桩顶，为防止沉桩过程中破坏外圈层压浆管4以及内圈层压浆管5的水平段，故水平段距离桩顶为图2a中d1的距离，控制在200-500mm。

为保证注浆过程中，通过外圈层压浆管4、内圈层压浆管5注入的压浆量按照预设值进行，本发明在所述的上水平段91的入口处安装压浆分配器8，且压浆分配器8的入口处安装有螺纹接口，以能够与布置在混凝土筒桩内侧的软管6通过螺纹配合连接的方式连接，满足压浆的需求。

步骤C中,由于机械设备、运输及工艺等方面的原因，先张法工艺仅限于生产外径1.0m以内的筒桩，因此，本发明故采用后张法施工工艺，完成预应力混凝土筒桩预应力的施加，完成预应力混凝土筒桩的制作；

步骤D，对所述筒桩进行运输、吊装、锤击(或振动)施工完成后，以步骤B预埋的外圈层压浆管4、内圈层压浆管5为基础，在现场完成后压浆装置的其它辅助部件组装，其它辅助部件，包括压降分配器、螺纹接口7、软管6、压浆机、单向阀门等，软管6与外圈/内圈层压浆管5通过螺栓紧密连接；压浆机内浆液通过输浆管(输浆管上安装有压力传感器、流量传感器)进入软管6。

通过自动分配器，按系统设置对压浆管进行逐根压浆直到其达到设计所需压浆量。

各外圈层压浆管4、内圈层压浆管5的下水平段92的出口处均安装单向阀门，所述单向阀门仅向外侧单方向开启。

Claims (9)

1.一种用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，包括筒桩本体，所述的筒桩本体包括钢筋笼骨架，其特征在于，所述的钢筋笼骨架，采用双层双向混合配筋方式，包括外圈层、内圈层以及将外圈层、内圈层连接成一体的连接层；外圈层包括外圈层纵筋、外圈层箍筋，内圈层包括内圈层纵筋以及内圈层箍筋；其中，所述的外圈层纵筋采用预应力筋、非预应力筋混合间隔布置，并通过外圈层箍筋围箍，内圈层纵筋则为非预应力筋，并通过内圈层箍筋围箍；所述的外圈层纵筋、内圈层纵筋一一对应布置，且处于对应位置处的外圈层纵筋、内圈层纵筋之间通过拉筋拉结，各拉筋构成所述的连接层；

所述的混凝土筒桩的弯矩设计值M满足：

；

；

式中：A-混凝土筒桩桩身横截面面积；

-全部预应力钢筋的截面面积；

、/>-分别指非预应力筋在外圈层、内圈层的钢筋截面面积；

-预应力钢筋的抗拉、抗压设计强度；

-非预应力筋的抗拉、抗压设计强度；

-混凝土筒桩的轴心抗压强度标准值；

-预应力钢筋合力点处混凝土筒桩法向应力等于零时的预应力钢筋应力；

-纵向预应力钢筋所在圆的半径；

-非预应力筋所在外圈层、内圈层的半径；

-混凝土筒桩的环形截面的内、外半径；

φ、φt分别为混凝土筒桩的截面承压区与受拉区1/2包角，；/>时，；

-系数，当混凝土强度等级不超过C50时，α₁取为1．0，当混凝土强度等级为C80时，α₁取为0．94，其间按线性内插法确定。

2.根据权利要求1所述的用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，其特征在于，所述的外圈层纵筋均匀布置。

3.根据权利要求1所述的用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，其特征在于，所述的外圈层箍筋、内圈层箍筋均为螺旋箍筋。

4.根据权利要求1所述的用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，其特征在于，还包括后压浆装置；后压浆装置包括压浆分配器、外圈层压浆管、内圈层压浆管、压浆分配管的进口接头以及软管；所述外圈层压浆管包括有若干根，各外圈层压浆管均沿着外圈层箍筋的内侧均匀分布并与外圈层箍筋固定连接在一起；所述内圈层压浆管的数量与外圈层压浆管的数量一致，并一一对应布置，各内圈层压浆管均沿着内圈层箍筋的外侧均匀分布并与内圈层箍筋固定连接在一起；

每一根外圈层压浆管、内圈层压浆管，均包括竖直段、上水平段以及下水平段；竖直段沿着筒桩本体的竖向布置，上水平段以及下水平段均沿着筒桩本体的水平方向布置，且上水平段设置于竖直段的上端，并能够延伸出筒桩本体的内壁，而下水平段则设置于竖直段的下端，并能够延伸出筒桩本体的外壁；

针对对应位置处的外圈层压浆管、内圈层压浆管，均配置一个压浆分配器，以与相应的外圈层压浆管、内圈层压浆管的上水平段对应连接；

压浆分配器的进口端与布置在筒桩本体内侧的软管连接。

5.根据权利要求4所述的用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，其特征在于，外圈层压浆管、内圈层压浆管、外圈层纵筋以及内圈层纵筋之间，均相互错开布置，且外圈层压浆管、内圈层压浆管一一对应设置。

6.根据权利要求5所述的用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，其特征在于，所述的压浆分配器通过螺纹配合连接的方式与布置在筒桩本体内侧的软管。

7.根据权利要求6所述的用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，其特征在于，所述的各外圈层压浆管、内圈层压浆管的底端，均在达到设计高度时朝向混凝土筒桩的外侧弯折，同时，外圈层压浆管的底端高于内圈层压浆管的底端。

8.根据权利要求6所述的用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩，其特征在于，各外圈层压浆管、内圈层压浆管的底端端口处均安装单向阀门，所述单向阀门仅向混凝土筒桩的外侧单方向开启。

9.一种权利要求1所述的用于海上风电的超大直径预应力混凝土筒桩的施工方法，其特征在于，包括以下顺序进行的工序：

A、绑扎钢筋笼骨架；

其中：所述的钢筋笼骨架采用双层双向混合配筋方式，包括外圈层、内圈层以及将外圈层、内圈层连接成一体的连接层；外圈层包括外圈层纵筋、外圈层箍筋，内圈层包括内圈层纵筋以及内圈层箍筋；其中，所述的外圈层纵筋采用预应力筋、非预应力筋混合间隔布置，并通过外圈层箍筋围箍，内圈层纵筋则为非预应力筋，并通过内圈层箍筋围箍；所述的外圈层纵筋、内圈层纵筋一一对应布置，且处于对应位置处的外圈层纵筋、内圈层纵筋之间通过拉筋拉结，各拉筋构成所述的连接层；

B、在钢筋笼骨架上，固定外圈层压浆管、内圈层压浆管；

其中：所述外圈层压浆管包括有若干根，各外圈层压浆管均沿着外圈层箍筋的内侧均匀分布并与外圈层箍筋固定连接在一起；所述内圈层压浆管的数量与外圈层压浆管的数量一致，并一一对应布置，各内圈层压浆管均沿着内圈层箍筋的外侧均匀分布并与内圈层箍筋固定连接在一起；

每一根外圈层压浆管、内圈层压浆管，均包括竖直段、上水平段以及下水平段；竖直段沿着筒桩本体的竖向布置，上水平段以及下水平段均沿着筒桩本体的水平方向布置，且上水平段设置于竖直段的上端，并能够延伸出筒桩本体的内壁，而下水平段则设置于竖直段的下端，并能够延伸出筒桩本体的外壁；

C、采用后张法施工工艺，完成预应力混凝土筒桩中预应力的施加；

D、以步骤B预埋的外圈层压浆管、内圈层压浆管为基础，在现场完成后压浆装置的其它辅助部件组装，通过后压浆施工工艺完成混凝土筒桩的现场施工。