CN115492154A - 一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件及应用方法，包括分隔仓，所述分隔仓呈环状，分隔仓可拆卸安装在桶形基础顶端，所述分隔仓分为多个弧形分隔仓，且每个弧形分隔仓内均设有充气式平衡调节装置，每个弧形分隔仓上方均设有调平孔，所述分隔仓内周侧设有用于检测桶形基础倾斜角度和海水温度的数据传感装置，数据传感装置呈环状设置，且数据传感装置与充气式平衡调节装置连接，本发明通过充气式平衡调节装置改变桶形基础的浮力来调节桶形基础的平衡，可以应对海上的极端情况，以减少设计时对极端情况的考虑，降低建造成本，同时本发明结构简单、安装和维护方便，减少整体的成本，且能够更好的保证海上结构的安全。
Description
技术领域
本发明涉及海洋岩土工程相关设备的基础设计技术领域具体涉及一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件及应用方法。
背景技术
目前，桶形基础为海上风机、资源开采平台等海上结构中广泛应用的基础形式，拥有桩基与筏基的双重优点，能够承受竖向与水平方向的荷载，使海上结构在荷载环境复杂的海洋中也能稳定发挥使用功能。然而海洋环境往往具备不确定性，海上结构可能面临几十年或上百年才出现一次的风浪荷载，而在设计桶形基础时，设计人员若考虑过于极端的情况将大大增加成本造价与施工安装难度，且仍有可能出现更加极端情况发生倾覆，因此目前的桶形基础总是在可靠性与安全系数合理的情况下进行设计，桶形基础在极端情况下存在倾覆的可能，特别是海上风机仅有一个桶形基础时，如何在极端的情况下保证桶形基础的水平承载能力，并且能够有效控制成本是一个亟待解决的问题。为此，针对以上桶形基础的安全经济性的问题，提出了一种可实现自稳定功能的装配式桶形基础配件，并提出了其安装使用保养的方法。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，包括分隔仓，所述分隔仓呈环状，分隔仓可拆卸安装在桶形基础顶端，所述分隔仓分为多个弧形分隔仓，且每个弧形分隔仓内均设有充气式平衡调节装置，每个弧形分隔仓上方均设有调平孔，所述分隔仓内周侧设有用于检测桶形基础倾斜角度和海水温度的数据传感装置，数据传感装置呈环状设置，且数据传感装置与充气式平衡调节装置连接。
优选的，所述弧形分隔仓为单个可拆卸装置，分隔仓由多个弧形分隔仓拼接构成。
优选的，所述桶形基础顶端沿周向固定设有多个锥形螺栓，所述每个弧形分隔仓两端均设有连接部，相邻两个弧形分隔仓的连接部拼接成与锥形螺栓匹配的安装孔，安装孔和锥形螺栓一一对应，所述多个弧形分隔仓通过安装孔、锥形螺栓和锥形螺帽的配合可拆卸安装到桶形基础上。
优选的，所述充气式平衡调节装置包括未膨胀的气球、可生成气体的化合物以及化合物反应引发装置，所述未膨胀的气球设置在调平孔处，调平孔处设有气球脱落装置，所述可生成气体的化合物位于弧形分隔仓内，化合物生成的气体密度小于空气，化合物反应引发装置和气球脱落装置通过数据电力端口与数据传感装置连接。
优选的，所述弧形分隔仓内设有一个分隔室和多个小分隔室，分隔室和多个小分隔室内均设有可生成气体的化合物以及化合物反应引发装置，多个小分隔室分别与分隔室连通，所述调平孔设置在分隔室上方。
优选的，所述数据传感装置包括角度感应装置和温度传感器，角度感应装置和温度传感器分别与陆上控制中心连接，陆上控制中心通过数据电力端口分别与化合物反应引发装置和气球脱落装置连接。
优选的，所述弧形分隔仓内周侧壁上固定设有支撑架，所述数据传感装置通过支撑架安装在分隔仓内周侧壁上。
一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件的应用方法，包括以下步骤：
步骤1）、将本发明的配件安装到桶形基础上，当桶形基础施工完成后，数据传感装置中的温度传感器检测海水温度，将海水温度信息实时传递给陆上控制中心，数据传感装置中的角度感应装置检测桶形基础的沉降与倾斜程度，将桶形基础的倾斜角度实时传递给陆上控制中心，陆上控制中心预设桶形基础需进行修正时的倾斜角度值，当数据传感装置感应桶形基础大于等于预设的倾斜角度值时，陆上控制中心接收此时海水温度信息，计算所需注入的气体摩尔量，并递指令给倾斜方向上的充气式平衡调节装置，进行桶形基础的稳定调整；
步骤2）、倾斜方向上的充气式平衡调节装置接收到陆上控制中心的指令，化合物反应引发装置启动，引发化合物反应产生气体，气体注入未膨胀的气球内使气球膨胀，注有气体的气球从调平孔内膨胀而出，产生浮力，带动桶形基础上升恢复平衡；
步骤3）、当桶形基础恢复平衡时，角度感应装置检测出桶形基础倾斜角度
为0时传递信号给陆上控制中心，陆上控制中心传递指令给气球脱落装置，气球脱落装置启动使注有气体的气球脱落，浮力消失，桶形基础恢复正常姿势；
步骤4）所述角度感应装置检测出桶形基础倾斜角度 
为0后传递信号给陆上控制中心，工作人员接收到信号后更换参与自稳定调整的弧形分隔仓。
优选的，所述步骤1）中预设的倾斜角度值的计算公式为：
上述式中，D为桶形基础的直径， H为桶形基础的埋深， 
为桶形基础的倾斜角度，此倾斜角度即预设的倾斜角度值；
所需注入的气体摩尔量的计算公式为：
式中n为所需注入的气体摩尔量，L为水深，
为海床土体不排水抗剪强度，R为摩尔气体常数，T为海水温度，H为桶形基础的埋深，其中水深L为平衡时桶形基础上表面到海面的距离；
步骤2）具体为：启动倾斜方向上的分隔室内的化合物反应引发装置，引发化合物反应产生气体，分隔室和小分隔室内可生成气体的化合物量一定，即可生成的气体摩尔量一定，当分隔室能够生成的气体摩尔量小于所需注入的气体摩尔量时，陆上控制中心传递指令引发同一弧形分隔仓内的小分隔室产生气体，补充到分隔室内，根据所需注入的气体摩尔量选择需要参与调平的小分隔室数量。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过多个充气式平衡调节装置来改变桶形基础不同方向上的浮力，并结合数据传感装置实现桶形基础的自稳定，在桶形基础设计时可以减少对极端情况的考虑，降低建造成本，同时能够保证在极端作用下桶形基础的稳定性，数据传感装置还可以对桶形基础的沉降进行一定监控，在日常中也可远程进行姿态调整维护，保证了海上结构的安全。
2、本发明的分隔仓可拆卸安装的方式能够大大提高海上操作的可能性，对后期持续运行有很大帮助，同时通过局部更换分隔仓和充气式平衡调节装置能够大幅降低后期维护难度与成本。
3、本发明的配件安装简单、结构不复杂、维护方便且能够有效降低整体成本。
附图说明
图1本发明的俯视图；
图2本发明的三维视图；
图3本发明的锥形螺栓与锥形盖帽的细部示意图；
图4本发明的分隔仓细部图；
图5为本发明特种气球安装处结构示意图；
图中标号：1-弧形分隔仓、2-安装孔、3-桶形基础、4-支撑架、5-数据传感装置、6-锥形螺帽、7-锥形螺栓、8-分隔室、9-调平孔、10-数据电力端口、11-未膨胀的气球、121-电磁吸铁、122-环形铁片、123-滑轨。
具体实施方式
为使本发明更为清楚、明白，以下结合附图说明和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，应当了解，所给出的实施例仅仅为实现方式的一种，并不代表所有实施例。
结合附图1-5，一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，包括分隔仓，所述分隔仓呈环状，分隔仓可拆卸安装在桶形基础3顶端，所述分隔仓分为多个弧形分隔仓1，且每个弧形分隔仓1内均设有充气式平衡调节装置，每个弧形分隔仓1上方均设有调平孔9，所述分隔仓内周侧设有用于检测桶形基础3倾斜角度和海水温度的数据传感装置5，数据传感装置5呈环状设置，且数据传感装置5与充气式平衡调节装置连接。
具体的，所述弧形分隔仓1为单个可拆卸装置，分隔仓由多个弧形分隔仓1拼接构成。
具体的，所述桶形基础3顶端沿周向固定设有多个锥形螺栓7，所述每个弧形分隔仓1两端均设有连接部，相邻两个弧形分隔仓1的连接部拼接成与锥形螺栓7匹配的安装孔2，安装孔2和锥形螺栓7一一对应，所述多个弧形分隔仓1通过安装孔2、锥形螺栓7和锥形螺帽6的配合可拆卸安装到桶形基础3上，锥形螺栓7和锥形螺帽6将多个弧形分隔仓1连接为整体的分隔仓，使整个分隔仓作为受力部件，避免出现应力集中的现象。
具体的，所述充气式平衡调节装置包括未膨胀的气球11、可生成气体的化合物以及化合物反应引发装置，所述未膨胀的气球11设置在调平孔9处，调平孔9处设有气球脱落装置，所述可生成气体的化合物位于弧形分隔仓1内，化合物生成的气体密度小于空气，化合物反应引发装置和气球脱落装置通过数据电力端口10与数据传感装置5连接。
具体的，所述弧形分隔仓1内设有一个分隔室8和多个小分隔室81，分隔室8和多个小分隔室81内均设有可生成气体的化合物以及化合物反应引发装置，多个小分隔室81分别与分隔室8连通，所述调平孔9设置在分隔室8上方。
具体的，所述数据传感装置5包括角度感应装置和温度传感器，数据传感装置5通过陆上控制中心与充气式平衡调节装置连接，角度感应装置可选用陀螺仪，角度感应装置和温度传感器分别与陆上控制中心连接，陆上控制中心通过数据电力端口分别与化合物反应引发装置和气球脱落装置连接，。
具体的，所述可生成气体的化合物包括叠氮化钠、硝酸钾和二氧化硅，生成的气体为氮气，所述化合物反应引发装置为叠氮化钠引燃装置。
具体的，所述弧形分隔仓1内周侧壁上固定设有支撑架4，所述数据传感装置5通过支撑架4安装在分隔仓内周侧壁上。
一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件的应用方法，包括以下步骤：
步骤1）、将本发明的配件安装到桶形基础3上，当桶形基础3施工完成后，数据传感装置5中的温度传感器检测海水温度，将海水温度信息实时传递给陆上控制中心，数据传感装置5中的角度感应装置检测桶形基础3的沉降与倾斜程度，将桶形基础3的倾斜角度实时传递给陆上控制中心，陆上控制中心预设桶形基础3需进行修正时的倾斜角度值，当数据传感装置5感应桶形基础3大于等于预设的倾斜角度值时，陆上控制中心接收此时海水温度信息，计算所需注入的气体摩尔量，并递指令给倾斜方向上的充气式平衡调节装置，进行桶形基础3的稳定调整；
步骤2）、倾斜方向上的充气式平衡调节装置接收到陆上控制中心的指令，化合物反应引发装置启动，引发化合物反应产生气体，气体注入未膨胀的气球11内使气球膨胀，注有气体的气球从调平孔9内膨胀而出，产生浮力，带动桶形基础3上升恢复平衡；
步骤3）、当桶形基础3恢复平衡时，角度感应装置检测出桶形基础3倾斜角度
为0时传递信号给陆上控制中心，陆上控制中心传递指令给气球脱落装置，气球脱落装置启动使注有气体的气球脱落，浮力消失，桶形基础恢复正常姿势；
需要了解的是，具体结合附图5，气球脱落装置可选用电磁吸式装置，如沿调平孔9周边设置电磁吸铁121，电磁吸铁121周侧设有滑轨123，滑轨123滑动方向垂直于电磁吸铁121，滑轨123上滑动设有环形铁片122，所述未膨胀的气球11充气口周边置于电磁吸铁121和环形铁片122之间，电磁吸铁121与数据传感装置5连接，正常状态下电磁吸铁121通电吸附环形铁片122，从而将未膨胀的气球11夹持固定住，当桶形基础3恢复平衡需要气球脱落时，数据传感装置5传递指令给电磁吸铁121，电磁吸铁121断电磁力消失，环形铁环122在重力作用下沿滑轨123下滑，远离电磁吸铁121，此时注有气体的气球失去固定，在气体浮力作用下脱离调平孔9，从而实现脱落，气球脱落装置的结构原理不局限于上述方式，可实现气球脱落的方式较多，根据需求和实际情况设计即可，气球选用绿色环保材料制作，避免脱落后污染环境。
步骤4）所述角度感应装置检测出桶形基础3倾斜角度
为0后传递信号给陆上控制中心，工作人员接收到信号后更换参与自稳定调整的弧形分隔仓1。
具体的，所述步骤1）中预设的倾斜角度值的计算公式为：
上述式中，D为桶形基础的直径， H为桶形基础的埋深， 
为桶形基础的倾斜角度，此倾斜角度即预设的倾斜角度值；
所需注入的气体摩尔量的计算公式为：
式中n为所需注入的气体摩尔量，L为水深， 
为海床土体不排水抗剪强度，R为摩尔气体常数，T为海水温度，H为桶形基础的埋深，其中水深L为平衡时桶形基础3上表面到海面的距离；
步骤2）具体为：启动倾斜方向上的分隔室8内的化合物反应引发装置，引发化合物反应产生气体，分隔室8和小分隔室81内可生成气体的化合物量一定，即可生成的气体摩尔量一定，当分隔室8能够生成的气体摩尔量小于所需注入的气体摩尔量时，陆上控制中心传递指令引发同一弧形分隔仓1内的小分隔室81产生气体，补充到分隔室8内，根据所需注入的气体摩尔量选择需要参与调平的小分隔室81数量，统计桶形基础3的海域的常年温度变化，以该海域的最低温度值进行计算，预设需要的气体摩尔量最低值，将可生成这一气体摩尔量的化合物放到分隔室8中，并按照海水温度变化范围和变化幅度设置小分隔室81的数量和可生成气体的化合物的量，使海水温度每升高一定值时，均可通过增加参与调平的小分隔室81的数量获取所需的气体摩尔量，实际产生的气体摩尔量与计算得到的气体摩尔量近似即可。
具体的，所述步骤3）中的化合物反应引发装置为叠氮化钠引燃装置，叠氮化钠引燃装置为电火花生成装置或高温电阻丝装置的其中一种，电火花生成装置在通电后产生300℃的电火花或高温电阻丝在通电后达到300℃；
所述可生成气体的化合物包括叠氮化钠、硝酸钾和二氧化硅，通过300℃的电火花或300℃的高温电阻丝引爆叠氮化钠，反应生成的气体为氮气。
具体的，工作时开启叠氮化钠引燃装置，启动时产生300℃高温引爆叠氮化钠，使其反应产生氮气（N2），反应式如下：
2NaN3→2Na+3N2(g)
叠氮化钠反应后还生成钠（Na），钠单质遇水后会产生破坏性爆炸，存在安全隐患，因此通过硝酸钾（KNO3）进行处理，同时钠与硝酸钾反应也可产生氮气，进一步提供浮力，反应式如下：
10Na+2KNO3→K2O+5Na2O+N2(g)
钠与硝酸钾反应后还生成氧化钠（Na2O）和氧化钾（K2O），通过二氧化硅（SiO2）与氧化钠和氧化钾反应，反应式如下：
K2O+SiO2→K2SiO3
Na2O+SiO2→Na2SiO3
上述化合物及相关反应可有效、高效的生成氮气，且无复杂产物，其中氮气为大气中78%的气体，具有稳定，无污染等特点，保证本发明的环保性。
可生成气体的化合物及产生的气体的选用不限于上述方案。
本发明的配件安装与拆卸流程：在桶形基础3施工之前，将多个锥形螺栓7焊接在桶形基础3顶端上，将相邻两弧形分隔仓1连接部拼合成安装孔2套合到锥形螺栓7外壁上，通过锥形螺帽6旋转到锥形螺栓7上进行固定，依次安装弧形分隔仓1拼合成分隔仓，将数据传感装置5安装到支撑架4上，并将数据传感装置5与数据电力端口10相连保证工作。
当特种气球脱落后，数据传感装置5将会把相应数据传输给陆上控制中心，安排相应人员进行对应的弧形分隔仓1更换，先将数据传感装置5与对应的弧形分隔仓1的数据电力端口10进行分离，并将数据传感装置5从支撑架4上取下，通过旋转弧形分隔仓1两侧的锥形螺帽6，取消相应的固定，然后取出更换的弧形分隔仓1，换上新的弧形分隔仓1，通过旋转弧形分隔仓1两侧的锥形螺帽6，进行相应的固定，然后将数据传感装置5安装在支撑架4上，将数据传感装置5通过陆上控制中心与新的数据电力端口10进行连接，可继续正常工作。
同时，数据传感装置5会定期将相应数据传输给陆上控制中心进行监控，当桶形基础3在日常工作中积累到一定倾斜程度时，可远程进行相应姿态调整，可对桶形基础3进行日常维护。
以上实施方式只是阐述了本发明的基本原理和特性，但不受上述实施方式限制，应当明白，对于本领域的普通技术人员来说，可以在不脱离本发明精神和范围的前提下，对本发明进行各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。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 (9)
1.根据权利要求1所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，其特征在于：包括分隔仓，所述分隔仓呈环状，分隔仓可拆卸安装在桶形基础（3）顶端，所述分隔仓分为多个弧形分隔仓（1），且每个弧形分隔仓（1）内均设有充气式平衡调节装置，每个弧形分隔仓（1）上方均设有调平孔（9），所述分隔仓内周侧设有用于检测桶形基础（3）倾斜角度和海水温度的数据传感装置（5），数据传感装置（5）呈环状设置，且数据传感装置（5）与充气式平衡调节装置连接。
2.根据权利要求1所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，其特征在于：所述弧形分隔仓（1）为单个可拆卸装置，分隔仓由多个弧形分隔仓（1）拼接构成。
3.根据权利要求2所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，其特征在于：所述桶形基础（3）顶端沿周向固定设有多个锥形螺栓（7），所述每个弧形分隔仓（1）两端均设有连接部，相邻两个弧形分隔仓（1）的连接部拼接成与锥形螺栓（7）匹配的安装孔（2），安装孔（2）和锥形螺栓（7）一一对应，所述多个弧形分隔仓（1）通过安装孔（2）、锥形螺栓（7）和锥形螺帽（6）的配合可拆卸安装到桶形基础（3）上。
4.根据权利要求1所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，其特征在于：所述充气式平衡调节装置包括未膨胀的气球（11）、可生成气体的化合物以及化合物反应引发装置，所述未膨胀的气球（11）设置在调平孔（9）处，调平孔（9）处设有气球脱落装置，所述可生成气体的化合物位于弧形分隔仓（1）内，化合物生成的气体密度小于空气，化合物反应引发装置和气球脱落装置通过数据电力端口（10）与数据传感装置（5）连接。
5.根据权利要求4所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，其特征在于：所述弧形分隔仓（1）内设有一个分隔室（8）和多个小分隔室（81），分隔室（8）和多个小分隔室（81）内均设有可生成气体的化合物以及化合物反应引发装置，多个小分隔室（81）分别与分隔室（8）连通，所述调平孔（9）设置在分隔室（8）上方。
6.根据权利要求4所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，其特征在于：所述数据传感装置（5）包括角度感应装置和温度传感器，角度感应装置和温度传感器分别与陆上控制中心连接，陆上控制中心通过数据电力端口分别与化合物反应引发装置和气球脱落装置连接。
7.根据权利要求1所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件，其特征在于：所述弧形分隔仓（1）内周侧壁上固定设有支撑架（4），所述数据传感装置（5）通过支撑架（4）安装在分隔仓内周侧壁上。
8.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）、将本发明的配件安装到桶形基础（3）上，当桶形基础（3）施工完成后，数据传感装置（5）中的温度传感器检测海水温度，将海水温度信息实时传递给陆上控制中心，数据传感装置（5）中的角度感应装置检测桶形基础（3）的沉降与倾斜程度，将桶形基础（3）的倾斜角度实时传递给陆上控制中心，陆上控制中心预设桶形基础（3）需进行修正时的倾斜角度值，当数据传感装置（5）感应桶形基础（3）大于等于预设的倾斜角度值时，陆上控制中心接收此时海水温度信息，计算所需注入的气体摩尔量，并递指令给倾斜方向上的充气式平衡调节装置，进行桶形基础（3）的稳定调整；
步骤2）、倾斜方向上的充气式平衡调节装置接收到陆上控制中心的指令，化合物反应引发装置启动，引发化合物反应产生气体，气体注入未膨胀的气球（11）内使气球膨胀，注有气体的气球从调平孔（9）内膨胀而出，产生浮力，带动桶形基础（3）上升恢复平衡；
步骤3）、当桶形基础（3）恢复平衡时，角度感应装置检测出桶形基础（3）倾斜角度
为0时传递信号给陆上控制中心，陆上控制中心传递指令给气球脱落装置，气球脱落装置启动使注有气体的气球脱落，浮力消失，桶形基础恢复正常姿势；
步骤4）所述角度感应装置检测出桶形基础（3）倾斜角度
为0后传递信号给陆上控制中心，工作人员接收到信号后更换参与自稳定调整的弧形分隔仓（1）。
9.根据权利要求8所述的一种可实现自稳定的装配式桶形基础配件的应用方法，其特征在于：所述步骤1）中预设的倾斜角度值的计算公式为：
上述式中，D为桶形基础的直径， H为桶形基础的埋深，
为桶形基础的倾斜角度，此倾斜角度即预设的倾斜角度值；
所需注入的气体摩尔量的计算公式为：
式中n为所需注入的气体摩尔量，L为水深，
为海床土体不排水抗剪强度，R为摩尔气体常数，T为海水温度，H为桶形基础的埋深，其中水深L为平衡时桶形基础（3）上表面到海面的距离；
步骤2）具体为：启动倾斜方向上的分隔室（8）内的化合物反应引发装置，引发化合物反应产生气体，分隔室（8）和小分隔室（81）内可生成气体的化合物量一定，即可生成的气体摩尔量一定，当分隔室（8）能够生成的气体摩尔量小于所需注入的气体摩尔量时，陆上控制中心传递指令引发同一弧形分隔仓（1）内的小分隔室（81）产生气体，补充到分隔室（8）内，根据所需注入的气体摩尔量选择需要参与调平的小分隔室（81）数量。
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