CN115897650B - 一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海上风电技术领域，公开了一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础，包括桩基础和过渡结构，过渡结构包括主腿、插入腿和连接组件；连接组件包括止挡上环板、止挡下环板；止挡上环板与主腿之间连接有上腹板，上腹板上布置有盖板，相邻的两个上腹板之间连接有面板，主腿内设置有上内环板；止挡上环板与止挡下环板之间连接有止挡腹板；插入腿的内壁与止挡上环板之间连接有内肘板。上内环板、面板、上腹板、盖板形成一个受力整体，可减小主腿位置的变形和应力集中；止挡腹板、内肘板形成整体，可减小插入腿在径向上的变形，进而缩减应力极值，减小累积疲劳损伤；止挡下环板与桩基础止挡限位，限制上部主体结构在施工过程中下沉。

Description

一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础

技术领域

本发明涉及海上风电技术领域，特别是涉及一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础。

背景技术

海上风电作为我国可再生能源发展的重点领域，现已进入新的发展阶段，伴随着海上风机价格不断下探及施工成本逐渐降低，海上风电迎来爆发式增长。

海上风电高速发展的背景下，风机基础作为海上风机最重要的组成结构，其型式越来越趋于多样化。导管架基础具有刚度大、受波浪载荷小等优点，成为了海上风电中最常用的基础型式。现有的吸力桶基础桩径通常在10m以上，只能用于土质比较单一的海域，对于地质差、岩层浅的海域，较大地桩长致使桩基础嵌岩可能性极大，开发出一种适用于地质较差避免嵌岩的桩基础将对海上风电的发展提供极大地便利。

通过增大桩径是避免嵌岩最有效的方式，大直径非嵌岩桩基础的直径通常在3.5－5m范围内，可适用于各种复杂地质的海域，但是桩径增大的同时导管架基础的主腿直径不会改变，因此大直径的桩基础与小直径的主腿之间的应力突增成为制约设计的关键，此外，该位置的疲劳损伤，亦是结构设计时亟待解决的重点。

发明内容

本发明的目的是：提供一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础，以降低主腿与桩基础的连接位置处的应力集中，减小累积疲劳损伤。

为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础，包括桩基础和过渡结构，所述过渡结构包括主腿、插入腿和连接组件，所述主腿用于与导管架基础的主体结构连接，所述插入腿用于插入所述桩基础内，所述插入腿的直径大于所述主腿的直径，所述连接组件连接在所述主腿与所述插入腿之间；

所述连接组件包括套装固定在所述主腿上的止挡上环板、套装固定在所述插入腿上的止挡下环板，所述插入腿的上端与所述止挡上环板的下侧固定连接，所述止挡下环板用于支撑在桩基础上；

所述止挡上环板与所述主腿的外壁之间亦连接有上腹板，所述上腹板沿所述主腿的径向延伸，所述上腹板沿所述主腿的周向间隔布置有多个，各所述上腹板上均垂直布置有盖板，相邻的两个上腹板之间连接有面板，所述面板的内壁与所述主腿连接，所述主腿的内侧亦设置有周向延伸的上内环板；

所述止挡上环板具有超出所述插入腿的外壁的外沿，所述外沿与所述止挡下环板之间亦连接有止挡腹板，所述止挡腹板的内壁与所述插入腿焊接，所述止挡腹板沿所述插入腿的周向间隔均布有多个；

所述插入腿的内壁与所述止挡上环板之间亦连接有内肘板，所述内肘板的外壁与所述插入腿的内壁焊接，所述内肘板沿所述插入腿的周向间隔均布有多个。

优选地，所述面板远离所述主腿的一端向下倾斜，所述面板与所述盖板共面布置。

优选地，所述面板远离所述主腿的外壁为中部向所述主腿靠近的弧线结构。

优选地，所述上内环板与所述主腿垂直连接，所述面板的与所述主腿连接的内壁与所述上内环板共面布置。

优选地，所述止挡上环板的上侧亦垂直布置有套筒，所述套筒与所述主腿同轴布置，所述上腹板与所述套筒焊接固定，所述盖板与所述套筒之间具有径向间隙。

优选地，所述插入腿的内侧亦设置有下内环板，所述内肘板的底部与所述下内环板焊接。

优选地，所述下内环板的高度低于所述止挡下环板的高度，所述内肘板与所述止挡腹板沿所述插入腿的周向交替布置。

优选地，所述插入腿的外壁上亦周向间隔布置有多个导向块，所述导向块沿所述插入腿的轴向延伸。

优选地，所述止挡下环板的底壁上亦设有垫板，所述垫板沿所述插入腿的周向间隔布置有多个。

本发明实施例一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础与现有技术相比，其有益效果在于：上内环板和面板分别在内外两侧对接主腿，使主腿内侧受力均匀，同时面板由上腹板以及盖板支撑，同时在上腹板上布置盖板与主腿连接，使得上内环板、面板、上腹板、盖板形成一个受力整体，可有效减小主腿位置的变形和应力集中；止挡上环板与止挡下环板之间的止挡腹板、止挡上环板与插入腿之间的内肘板形成整体，对插入腿的内外两侧进行支撑，可有效减小插入腿在径向上的变形，进而有效缩减应力极值，减小累积疲劳损伤；主腿、插入腿通过止挡上环板、止挡下环板、上腹板、止挡腹板、内肘板、上内环板连接为整体，可将主体结构的荷载分散式地传递至桩基础，不会出现应力集中，有效地保护桩基础，有效地预防服役期内因为荷载产生的屈曲破坏和疲劳破坏；插入腿插装在桩基础内，并且通过止挡下环板与桩基础止挡限位，可以有效防止上部的主体结构下滑；该新型导管架桩基础通过增加桩径减小桩长的方式，防止钢管桩嵌岩，大幅缩短施工周期和风险。

通过增大桩基础的桩径可大幅提高桩基础的侧摩阻和端阻力，进而显著提高桩基础的抗压和抗拔承载力，最终桩长在一定程度上得到缩减，对于岩面较浅的海上风电场址，可有效规避嵌岩的风险。

进一步地，缩短桩长可大幅降低工程造价，避免嵌岩可在一定程度上缩短风机基础的施工周期，进一步节省工程造价。

进一步地，该新型避免嵌岩导管架基础承载力好，可适用于表层淤泥厚、多软弱夹层、岩面浅等多种复杂地质条件下的沿海风电场址，桩基础上部的过渡结构可显著降低上部小直径主体结构与下部大直径桩基础连接位置的疲劳损伤，有效规避疲劳失效等问题。

附图说明

图1是本发明的适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础的结构示意图；

图2是本发明的适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础的过渡结构的结构示意图；

图3是图2的适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础的过渡结构的A－A线剖视图；

图4是图2的适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础的过渡结构的B－B线剖视图；

图5是图2的适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础的过渡结构的C－C线剖视图；

图6是图2的适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础的过渡结构的D－D线剖视图；

图7是图3的适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础的过渡结构的E－E线剖视图。

图中，1、主腿，2、插入腿，3、止挡上环板，4、止挡下环板，5、上腹板，6、盖板，7、面板，8、止挡腹板，9、内肘板，10、上内环板，11、下内环板，12、套筒，13、导向块，14、垫板，15、主体结构，16、桩基础。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础的优选实施例，如图1至图7所示，该适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础包括桩基础16和过渡结构，该桩基础16为大直径结构，直径为3.5－5m，过渡结构布置在桩基础16的顶部。通过增大桩基础的桩径可大幅提高桩基础的侧摩阻和端阻力，进而显著提高桩基础的抗压和抗拔承载力，最终桩长在一定程度上得到缩减，对于岩面较浅的海上风电场址，可有效规避嵌岩的风险。缩短桩长可大幅降低工程造价，避免嵌岩可在一定程度上缩短风机基础的施工周期，进一步节省工程造价。

过渡结构包括主腿1、插入腿2和连接组件，主腿1用于与导管架基础的主体结构15连接，插入腿2用于插入导管架基础的桩基础16内，以与导管架基础进行连接，连接组件连接在主腿1与插入腿2之间，将主腿1、插入腿2连接为整体，增加整个过渡结构的强度。

插入腿2的直径大于主腿1的直径，以与直径增大的桩基础16进行连接，并将作用力传递至桩基础16。在满足规范桩中心距要求的前提下，可增大桩基础16的桩径，不同桩径的桩基础16可进行承载力和灌浆段弯矩对比分析来减小桩基础16的桩长，避免嵌岩。

连接组件包括止挡上环板3、止挡下环板4、上腹板5、盖板6、面板7、止挡腹板8、内肘板9，止挡上环板3，连接组件的各个结构之间、各个结构与主腿1之间、各个结构与插入腿2之间均采用全熔透焊接，以保证焊接质量，对主腿1、插入腿2进行结构加强，可将主体结构15的荷载分散式地传递至桩基础16，不会出现应力集中，有效地保护桩基础16，有效地预防服役期内因为荷载产生的屈曲破坏和疲劳破坏。面板7、上腹板5、盖板6、内肘板9和止档肘板作为结构加强件，其厚度和数量需通过方案比选最终确定；另外可根据应力集中系数和应力进行优化，若应力集中系数超过规范限值要求，可相应增加面板7板和上腹板5数量与厚度。

止挡上环板3套装固定在主腿1的外壁上，止挡下环板4套装固定在插入腿2的外壁上，插入腿2的上端与止挡下环板4的下侧固定连接，即止挡上环板3将主腿1、插入腿2连接为整体。止挡上环板3可以从外侧对主腿1进行径向支撑，减小主腿1的变形，止挡下环板4可以从外侧对插入腿2进行径向支撑，减小插入腿2的变形。止挡下环板4用于支撑在桩基础16上，当插入腿2插入桩基础16上，止挡下环板4坐在桩基础16上，可以有效防止主体结构15下滑。

上腹板5固定布置在主腿1的外侧，上腹板5的底壁与止挡上环板3焊接固定，上腹板5的侧壁与主腿1焊接固定，使的上腹板5焊接固定在主腿1与止挡上环板3之间。上腹板5沿主腿1的周向间隔布置有多个，多个上腹板5在径向上对主腿1、止挡上环板3、止挡下环板4进行径向支撑，减小径向变形。

各个上腹板5上均焊接固定有盖板6，盖板6与上腹板5垂直布置，盖板6的内壁面与主腿1的外壁焊接固定，使主腿1、上腹板5、盖板6连接为整体。相邻的两个上腹板5之间亦焊接固定有面板7，面板7的内壁与主腿1的外壁面焊接固定，面板7与盖板6组成完整的环形结构，在整个周向上对主腿1进行径向支撑。

主腿1的内侧布置有上内环板10，上内环板10沿主腿1的周向延伸，上内环板10从内侧对主腿1进行径向支撑，以防止主腿1向内弯曲变形。上内环板10和面板7分别在内外两侧对接主腿1，使主腿1内侧受力均匀，上内环板10、面板7、上腹板5、盖板6形成一个受力整体，可有效减小主腿1位置的变形和应力集中。

止挡上环板3具有外沿，外沿超出插入腿2的外壁，即外沿延伸至插入腿2的外侧。外沿与止挡下环板4之间连接有止挡腹板8，止挡腹板8的内壁与插入腿2焊接，止挡腹板8沿插入腿2的周向间隔均布有多个。止挡腹板8对止挡上环板3、止挡下环板4进行径向加强，也对插入腿2进行径向支撑，减少插入腿2径向变形和应力集中。在本实施例中，止挡腹板8的厚度要大于其它连接组件的厚度，可以保证具有足够的强度，以防止上部主体结构15的下滑。

插入腿2的内壁与止挡上环板3之间亦连接有内肘板9，内肘板9的外壁与插入腿2的内壁焊接，内肘板9的上壁与止挡上环板3焊接，内肘板9沿插入腿2的周向间隔均布有多个。内肘板9是止挡上环板3与插入腿2的内壁之间的加强构件，内肘板9可以从内侧对插入腿2进行径向支撑，减少插入腿2的径向变形。在本实施例中，内肘板9为多边形结构，在保证结构充分利用的前提下可适当调整弧形的大小，以达到最为经济的效果。

上内环板10和面板7分别在内外两侧对接主腿1，使主腿1内侧受力均匀，同时面板7由上腹板5以及盖板6支撑，同时在上腹板5上布置盖板6与主腿1连接，使得上内环板10、面板7、上腹板5、盖板6形成一个受力整体，可有效减小主腿1位置的变形和应力集中；止挡上环板3与止挡下环板4之间的止挡腹板8、止挡上环板3与插入腿2之间的内肘板9形成整体，对插入腿2的内外两侧进行支撑，可有效减小插入腿2在径向上的变形，进而有效缩减应力极值，减小累积疲劳损伤；主腿1、插入腿2通过止挡上环板3、止挡下环板4、上腹板5、止挡腹板8、内肘板9、上内环板10连接为整体，可将主体结构15的荷载分散式地传递至桩基础16，不会出现大的应力集中，有效地保护桩基础16，有效地预防服役期内因为荷载产生的屈曲破坏和疲劳破坏；插入腿2插装在桩基础16内，并且通过止挡下环板4与桩基础16止挡限位，可以有效防止上部的主体结构15下滑，从而防止钢管桩嵌岩，大幅缩短施工周期和风险，根据工程计算，每台风机节约造价约1500万左右。

该过渡结构可以有效地预防服役期内结构因风、浪、流等荷载产生的疲劳破坏，使得该新型避免嵌岩导管架桩基础的承载力好，为服役期内结构的安全性提供了有利的保障，可适用于表层淤泥厚、多软弱夹层、岩面浅等多种复杂地质条件下的沿海风电场址，桩基础上部的过渡结构可显著降低上部小直径主体结构与下部大直径桩基础连接位置的疲劳损伤，有效规避疲劳失效等问题。

优选地，面板7远离主腿1的一端向下倾斜，面板7与盖板6共面布置。

面板7倾斜布置，并且面板7与盖板6共面布置，形成直斜式过渡，与主腿1倾斜时的受力方向接近，对主腿1进行支撑。面板7与盖板6共面，形成一个整体，主腿1的作用力可以均匀地传递至面板7与盖板6，减小应力集中。

在其它实施例中，面板7与主腿1也可以垂直相交焊接。

优选地，面板7远离主腿1的外壁为中部向主腿1靠近的弧线结构。

面板7的外壁采用弧线结构，在保证结构充分利用的前提下弧线可以减小应力集中，同时达到最为经济的效果。另外围绕主板一周的面板7成梅花形结构，更为美观。

优选地，上内环板10与主腿1垂直连接，面板7的与主腿1连接的内壁与上内环板10共面布置。

上内环板10与主腿1垂直，对主腿1进行径向支撑，减小主腿1的径向变形。面板7的内壁与上内环板10共面，对主腿1的内外两侧进行支撑，减小应力集中，缩减应力极值，从而减小疲劳损伤。

优选地，止挡上环板3的上侧亦垂直布置有套筒12，套筒12与主腿1同轴布置，上腹板5与套筒12焊接固定，盖板6与套筒12之间具有径向间隙。

上腹板5和套筒12焊接固定，增加上腹板5与止挡上环板3之间的结构强度，同时也使得上腹板5的承受的径向应力可以经过套筒12均匀地传递至止挡上环板3，减小应力集中。

盖板6与套筒12之间具有径向间隙，该径向间隙可以在上腹板5发生微量变形时，为盖板6提供伸缩余量，减小应力集中，有效地预防服役期内结构因风、浪、流等荷载产生的疲劳破坏，适用于地质差、岩层浅的海上风电场。

优选地，插入腿2的内侧亦设置有下内环板11，内肘板9的底部与下内环板11焊接。

内肘板9、下内环板11和插入腿2焊接固定后形成整体，对内肘板9的底壁进行支撑，使内肘板9、止挡上环板3、插入腿2、下内环板11形成整体，减小插入腿2的以及桩基础16的径向变形，从而缩减应力极值。

优选地，下内环板11的高度低于止挡下环板4的高度，内肘板9与止挡腹板8沿插入腿2的周向交替布置。

下内环板11和止挡下环板4存在高度差，可以减小插入腿2连接处的应力集中，减小累积疲劳损伤；同时内肘板9和止挡腹板8周向交替布置，分别在内外两侧对插入腿2在周向上进行径向支撑，使得荷载分散地传递至插入腿2以及桩基础16，不会出现大的应力集中。

优选地，插入腿2的外壁上亦周向间隔布置有多个导向块13，导向块13沿插入腿2的轴向延伸。

在插入腿2插装入桩基础16时，导向块13可以对插入腿2进行导向，减小插入腿2与桩基础16之间的碰撞。在本实施例中，导向块13的厚度由下至上逐渐增大，并且外壁面为曲面，可以减小导向块13与桩基础16初次接触时的作用力。并且在本实施例中，导向块13共有十六个，十六个导向块13均匀布置。

优选地，止挡下环板4的底壁上亦设有垫板14，垫板14沿插入腿2的周向间隔布置有多个。

垫板14可以对止挡下环板4进行结构加强，保证具有足够的强度，同时也可以使止挡下环板4与桩基础16之间具有余量，减小主体结构15的下滑，避免嵌岩桩。在本实施例中，垫板14为矩形结构，垫板14沿插入腿2的径向延伸。

综上，本发明实施例提供一种适用于大兆瓦风机的新型避免嵌岩导管架桩基础，其上内环板和面板分别在内外两侧对接主腿，使主腿内侧受力均匀，同时面板由上腹板以及盖板支撑，同时在上腹板上布置盖板与主腿连接，使得上内环板、面板、上腹板、盖板形成一个受力整体，可有效减小主腿位置的变形和应力集中；止挡上环板与止挡下环板之间的止挡腹板、止挡上环板与插入腿之间的内肘板形成整体，对插入腿的内外两侧进行支撑，可有效减小插入腿在径向上的变形，进而有效缩减应力极值，减小累积疲劳损伤；主腿、插入腿通过止挡上环板、止挡下环板、上腹板、止挡腹板、内肘板、上内环板连接为整体，可将主体结构的荷载分散式地传递至桩基础，不会出现应力集中，有效地保护桩基础，有效地预防服役期内因为荷载产生的屈曲破坏和疲劳破坏；插入腿插装在桩基础内，并且通过止挡下环板与桩基础止挡限位，可以有效防止上部的主体结构下滑；该新型导管架桩基础通过增加桩径减小桩长的方式，防止钢管桩嵌岩，大幅缩短施工周期和风险。

通过增大桩基础的桩径可大幅提高桩基础的侧摩阻和端阻力，进而显著提高桩基础的抗压和抗拔承载力，最终桩长在一定程度上得到缩减，对于岩面较浅的海上风电场址，可有效规避嵌岩的风险。

进一步地，缩短桩长可大幅降低工程造价，避免嵌岩可在一定程度上缩短风机基础的施工周期，进一步节省工程造价。

进一步地，该新型避免嵌岩导管架基础承载力好，可适用于表层淤泥厚、多软弱夹层、岩面浅等多种复杂地质条件下的沿海风电场址，桩基础上部的过渡结构可显著降低上部小直径主体结构与下部大直径桩基础连接位置的疲劳损伤，有效规避疲劳失效等问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，亦可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，包括桩基础和过渡结构，所述过渡结构包括主腿、插入腿和连接组件，所述主腿用于与导管架基础的主体结构连接，所述插入腿用于插入所述桩基础内，所述插入腿的直径大于所述主腿的直径，所述连接组件连接在所述主腿与所述插入腿之间；

所述连接组件包括套装固定在所述主腿上的止挡上环板、套装固定在所述插入腿上的止挡下环板，所述插入腿的上端与所述止挡上环板的下侧固定连接，所述止挡下环板用于支撑在桩基础上；

所述止挡上环板与所述主腿的外壁之间亦连接有上腹板，所述上腹板沿所述主腿的径向延伸，所述上腹板沿所述主腿的周向间隔布置有多个，各所述上腹板上均垂直布置有盖板，相邻的两个上腹板之间连接有面板，所述面板的内壁与所述主腿连接，所述主腿的内侧亦设置有周向延伸的上内环板；

所述止挡上环板具有超出所述插入腿的外壁的外沿，所述外沿与所述止挡下环板之间亦连接有止挡腹板，所述止挡腹板的内壁与所述插入腿焊接，所述止挡腹板沿所述插入腿的周向间隔均布有多个；

所述插入腿的内壁与所述止挡上环板之间亦连接有内肘板，所述内肘板的外壁与所述插入腿的内壁焊接，所述内肘板沿所述插入腿的周向间隔均布有多个。

2.根据权利要求1所述的适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，所述面板远离所述主腿的一端向下倾斜，所述面板与所述盖板共面布置。

3.根据权利要求2所述的适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，所述面板远离所述主腿的外壁为中部向所述主腿靠近的弧线结构。

4.根据权利要求2所述的适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，所述上内环板与所述主腿垂直连接，所述面板的与所述主腿连接的内壁与所述上内环板共面布置。

5.根据权利要求1－4任一项所述的适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，所述止挡上环板的上侧亦垂直布置有套筒，所述套筒与所述主腿同轴布置，所述上腹板与所述套筒焊接固定，所述盖板与所述套筒之间具有径向间隙。

6.根据权利要求1－4任一项所述的适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，所述插入腿的内侧亦设置有下内环板，所述内肘板的底部与所述下内环板焊接。

7.根据权利要求6所述的适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，所述下内环板的高度低于所述止挡下环板的高度，所述内肘板与所述止挡腹板沿所述插入腿的周向交替布置。

8.根据权利要求1－4任一项所述的适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，所述插入腿的外壁上亦周向间隔布置有多个导向块，所述导向块沿所述插入腿的轴向延伸。

9.根据权利要求1－4任一项所述的适用于大兆瓦风机的避免嵌岩导管架桩基础，其特征在于，所述止挡下环板的底壁上亦设有垫板，所述垫板沿所述插入腿的周向间隔布置有多个。