CN117403684A - 一种新型深水大型风机导管架基础结构及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型深水大型风机导管架基础结构，包括过渡段、导管架基础和桩腿；过渡段用于支撑风机和塔筒并将上部荷载传递到导管架基础；导管架基础用于承受上部荷载并将其传递到桩腿，包括三根副导管腿、一根主导管腿及若干斜撑；副导管腿呈等边三角形分布，主导管腿位于等边三角形的几何中心，主导管腿与每一根副导管腿平行，斜撑连在主导管腿与每一根副导管腿之间；主导管腿、每一根副导管腿和它们二者之间的斜撑共同形成一个垂直于泥面的平面框架，三面平面框架在空间上对称；桩腿包括三根副桩腿和一根主桩腿，三根副桩腿一一对应地与三根副导管腿连接，主桩腿与主导管腿连接。本发明受波浪力小，节点处应力集中程度小，安全性高。

Description

一种新型深水大型风机导管架基础结构及其安装方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别涉及一种新型深水大型风机导管架基础结构及其安装方法。

背景技术

海上风机的基础形式主要包括固定式基础和浮式基础。随着风能发展逐渐向深远海迈进，对于深水固定式基础及浮式基础海上风机的研究也逐步深入。尽管浮式风机是目前海上风机的一个发展热点，但实际上单桩基础、导管架基础等固定式基础仍是目前海上风场所采用的主要基础形式。相比于应用较为广泛的单桩基础形式，导管架基础具有结构刚度较大、海上作业时间相对较短、基础与波浪接触范围受力面较小、动力响应不显著等特点，这些特点使得导管架基础在深远海海上风电项目中的应用比目前主流的圆管单桩基础更有优势。

但是，目前导管架基础具有用钢量大、建造焊接量大、施工复杂、应力集中节点较多、应力疲劳寿命较低等缺点。因此，探究深水大型风机导管架基础的新设计和工程可行性对深远海海上风电项目具有重大意义。

发明内容

为了解决现有技术的困境，本发明提供了一种新型深水大型风机导管架基础结构及其安装方法，适用于深度60米以上深远海，可承载机组容量不小于15兆瓦，受波浪力小，节点处应力集中程度小，安全性高，可应对台风、极端波浪等恶劣海洋环境，锻造和焊接难度低，便于以平面框架形式进行装配式生产和组装，经济性好。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种新型深水大型风机导管架基础结构，包括过渡段、导管架基础和桩腿；所述过渡段用于支撑上部风机和塔筒并将上部荷载传递到下部的所述导管架基础；所述导管架基础与所述过渡段连接，用于承受上部荷载并将其传递到下部的所述桩腿，所述导管架基础包括三根副导管腿、一根主导管腿以及若干斜撑；所述副导管腿呈等边三角形分布，所述主导管腿位于等边三角形的几何中心，所述主导管腿与每一根所述副导管腿平行，所述斜撑连接在所述主导管腿与每一根所述副导管腿之间；所述主导管腿、每一根所述副导管腿和它们二者之间的斜撑共同形成一个垂直于泥面的平面框架，三面平面框架在空间上对称，共同组成一个稳固的空间框架；所述桩腿包括三根副桩腿和一根主桩腿，所述三根副桩腿一一对应地与三根所述副导管腿连接，所述主桩腿与所述主导管腿连接。

另一方面，本发明还提供了一种新型深水大型风机导管架基础结构的安装方法，包括：将四根所述桩腿运送至作业海域并垂直打入到海床下预定深度，将所述过渡段和所述导管架基础预先组装形成整体结构，在所述作业海域中将所述整体结构中的所述导管架基础连接在所述桩腿上。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：

(1)本发明的主导管腿、每一根副导管腿和它们二者之间的斜撑共同形成一个垂直于泥面的平面框架，三面平面框架在空间上对称，共同组成一个稳固的空间框架，整体结构受波浪力小，节点处应力集中程度小，安全性高，可应对台风、极端波浪等恶劣海洋环境，锻造和焊接难度低，便于以平面钢框架形式进行装配式生产和组装，经济性好。本发明适用于水深60米以上的深远海，可承载装机容量不小于15兆瓦，采用固定式基础，适用于我国海域常见的淤泥质土地质条件。本发明通过全新的导管架基础结构设计使其拥有全寿命周期内卓越的抗疲劳性能(疲劳寿命大于50年)，同时在极限工况下依然拥有较大的强度余量，降低故障率、维修率和安全风险。

(2)在优选的方案中，本发明的整体结构的截面为等边三角形，在等边三角形的几何中心设置一根直径较大的主导管腿，在等边三角形的顶点处设置三根直径较小的副导管腿，整体结构对称，受波浪力小，稳定性好，安全性高。

(3)在优选的方案中，主导管腿或副导管腿和斜撑之间的连接呈K型节点，斜撑的层间距大于若干斜撑的最大直径，以降低节点处应力集中程度，而且由于主导管腿的直径较大并设置在等边三角形的几何中心，进一步缩小了应力集中区域的范围，有效减少了应力集中点的数量。

(4)在优选的方案中，本发明充分考虑结构安全性，在过渡段钢管与甲板连接处设置多块肋板，在连接过渡段钢管与副导管腿的撑杆上设置矩形截面的腹板，在甲板下设置固定结构对副导管腿和主导管腿进行固定，整体结构安全性好，稳定性和可靠性高。

(5)本发明为导管架基础结构，施工难度小，造价低廉，过渡段和导管架基础均可在陆上进行分模块预制和组装，再运输到海上进行现场打桩安装，具有较好的经济性。

(6)在优选的方案中，本发明的导管架基础和桩腿均垂直于泥面，同时斜撑的跨度和长度较小，相较于常见的三桩导管架基础结构，结构所需用钢量明显减少。

附图说明

图1是本发明优选实施例中新型深水大型风机导管架基础结构的立体图。

图2是本发明优选实施例中新型深水大型风机导管架基础结构的主视图。

图3是本发明优选实施例中新型深水大型风机导管架基础结构的俯视图。

图4是本发明优选实施例中新型深水大型风机导管架基础结构中的过渡段的立体图。

图5是本发明优选实施例中新型深水大型风机导管架基础结构中的过渡段的分解图。

图6是本发明优选实施例中新型深水大型风机导管架基础结构中的导管架基础的立体图。

图7是本发明优选实施例中新型深水大型风机导管架基础结构中的导管架基础和桩腿连接处的剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。

需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

需要说明的是，当构件被称为“固定于”或“设置于”另一个构件，它可以直接在另一个构件上或者间接在该另一个构件上。当一个构件被称为是“连接于”另一个构件，它可以是直接连接到另一个构件或间接连接至该另一个构件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

本发明具体实施方式提供的一种新型深水大型风机导管架基础结构，如图1至图7所示，包括过渡段、导管架基础和桩腿；在应用新型深水大型风机导管架基础结构时，过渡段连接风机和塔筒，所述过渡段用于支撑上部风机和塔筒并将上部荷载传递到下部的所述导管架基础；所述导管架基础与所述过渡段连接，用于承受上部荷载并将其传递到下部的所述桩腿，所述导管架基础包括三根副导管腿8、一根主导管腿7以及若干斜撑9；所述副导管腿8呈等边三角形分布，所述主导管腿7位于等边三角形的几何中心，所述主导管腿7与每一根所述副导管腿8平行，所述斜撑9连接在所述主导管腿7与每一根所述副导管腿8之间；所述主导管腿7、每一根所述副导管腿8和它们二者之间的斜撑9共同形成一个垂直于泥面的平面框架，三面平面框架在空间上对称，共同组成一个稳固的空间框架；所述桩腿用于支撑上部结构(包含过渡段和导管架基础等，以及在应用新型深水大型风机导管架基础结构时，过渡段连接的风机和塔筒等)，包括三根副桩腿11和一根主桩腿10，所述三根副桩腿11一一对应地与三根所述副导管腿8连接，所述主桩腿10与所述主导管腿7连接。

在上述技术方案中，主导管腿7直接承受上部荷载的压力，三根副导管腿8分担并传递上部荷载到下部桩腿，整体结构所受波浪力小，抗倾覆性能好，结构安全性高。

在优选的实施例中，过渡段从上到下依次包括过渡段钢管1、甲板5及固定结构6，过渡段钢管1固定在甲板5的顶面中心位置，并位于甲板5正上方，用于支撑上部风机和塔筒，过渡段钢管1与甲板5的连接处设置有若干肋板2，副导管腿8的顶部伸出甲板5顶面一段距离，过渡段钢管1与副导管腿8的顶部之间通过若干撑杆3连接，以利于使上部荷载更好地传递到导管架基础上。较优的是，过渡段钢管1为薄壁空心圆钢管，甲板5为钢制薄板，肋板2为三角形空心钢结构，在过渡段钢管1周围每间隔30度设置1块肋板2，共12块，撑杆3为三根带有矩形截面腹板4的空心圆钢管，每根撑杆3上具有两块间隔180°设置并垂直于撑杆的矩形截面腹板(即腹板4设置于撑杆3的正上方和正下方)，以有效防止撑杆3发生屈曲。肋板2、腹板4、甲板5以及固定结构6的厚度均可依据实际承担上部荷载情况而设计，以进一步提高结构安全性。

在优选的实施例中，固定结构6固定在甲板5的底面，连接主导管腿7与副导管腿8，较优的是，甲板5为等边三角形，固定结构6为三叶形固定结构，沿甲板5中线分布，每叶均连接主导管腿7与一条副导管腿8，更优的是，主导管腿7的上端固定于三叶形固定结构6的几何中心位置，副导管腿8固定于三叶形固定结构6每叶的端点位置。三叶形的固定结构6不仅用于固定主导管腿7与副导管腿8，还能更好地承担上部风机荷载，在固定结构6上设计甲板5有助于工人进行风机运维。

在优选的实施例中，斜撑9在平面框架内按层交叉排列。较优的是，主导管腿7与每根副导管腿8之间设置四层斜撑9，每一层由两根交叉的斜撑9构成。较优的是，在从上到下的层中所述斜撑的直径和壁厚按层依次增加，以适应从上到下弯矩的增加，也即，下层中的斜撑9的直径和壁厚分别大于上层中的斜撑9的直径和壁厚，而同一层中的两根斜撑的直径相同，壁厚也相同。

在优选的实施例中，主导管腿7的直径大于副导管腿8的直径，优选地，主导管腿7的直径为副导管腿8的直径的1.3-1.6倍。副桩腿11的直径大于相应连接的副导管腿8的直径，优选地，副桩腿11的直径为相应连接的副导管腿8的直径的1.5-2.0倍；主桩腿10的直径大于主导管腿7的直径，优选地，主桩腿10的直径为主导管腿7的直径的1.5-2.0倍；副桩腿11和主桩腿10均为空心薄壁钢管桩，副桩腿11的壁厚为与其相应连接的副导管腿8的壁厚的1.0-3.0倍；主桩腿10的壁厚为主导管腿7的壁厚的1.0-3.0倍。

在优选的实施例中，过渡段钢管1的中心、甲板5的中心、固定结构6的中心均在主导管腿7的中轴线上，撑杆3、斜撑9以及副导管腿8均按等边三角形布置，这些结构共同组成稳固的空间框架，整体对称，形式简单，安全性高，承载力强，可承载机组容量不小于15兆瓦，水深大于60米。

在优选的实施例中，如图7所示，所述主桩腿10位于所述主导管腿7正下方，所述副桩腿11位于所述副导管腿8正下方，即所述三根副桩腿11的中心轴线一一对应地与三根所述副导管腿8的中心轴线在同一条直线上，所述主桩腿10的中心轴线与所述主导管腿7的中心轴线在同一条直线上；所述主导管腿7的下端插入所述主桩腿10内进行连接(优选插入的距离为相应主桩腿10长度的0.15-0.25倍)，且所述主导管腿的外壁和所述主桩腿的内壁上等距交错设置若干剪力键12；所述三根副导管腿8一一对应地插入三根副桩腿11内进行连接(优选插入的距离为相应副桩腿11长度的0.15-0.25倍)，且所述副导管腿8的外壁和所述副桩腿11的内壁上也等距交错设置若干剪力键12，以提高所述桩腿的抗剪承载力。

在优选的实施例中，过渡段、导管架基础和桩腿均为钢结构，过渡段钢管1和斜撑9为等截面薄壁圆管,过渡段钢管1壁厚为30-65毫米。

在优选的实施例中，如图6所示，所述主导管腿7或所述副导管腿8和所述斜撑9之间的连接呈K型节点，所述斜撑9的层间距D大于斜撑9的最大直径，以降低节点处应力集中程度；所述主导管腿7的直径为斜撑9的最大直径的3-4倍，进一步缩小了应力集中区域的范围，有效减少了应力集中点的数量。

在优选的实施例中，如图6所示，所述斜撑9每层的跨度S和长度L分别一致，锻造和焊接难度低。主导管腿7、副导管腿8均垂直于泥面，斜撑9的跨度和长度较小，相较于常见的三桩导管架基础结构，结构所需用钢量明显减少。

本发明实施例中，主导管腿7与每一根副导管腿8二者之间的斜撑9共同形成的垂直于泥面的平面钢框架，这三面钢框架在空间上对称，便于以平面钢框架形式进行装配式生产和组装。同时过渡段和导管架基础均可在陆上进行分模块预制和组装，再运输到海上进行现场打桩安装，具有较好的经济性。

本发明实施例还提供新型深水大型风机导管架基础结构的安装方法，其包括如下步骤：

将一根主桩腿10和三根副桩腿11运送作业海域(例如通过驳船运送)，并垂直打入到海床下预定深度；其中桩腿入土长度需综合考虑目标区域的岩土条件、桩位处的水深和泥沙冲刷等影响，这四根桩腿都垂直进入到海床下足够深度。

将所述过渡段和所述导管架基础预先组装形成整体结构，在所述作业海域中将所述整体结构中的所述导管架基础连接在所述桩腿上。优选地，将过渡段和导管架基础在陆上预先组装调试完毕形成整体结构，而后进行码头装船；之后依据导管架高度和作业海域水深，以滑移装船的方式将过渡段和导管架基础形成的整体结构通过有下水滑道的驳船运输至作业海域。而后，驳船倾斜，整体结构沿滑道下滑入水并浮在水面，接着向一根主导管腿7和三根副导管腿8中的至少一者内灌水使其缓慢下沉，再用一艘起重船将整体结构平稳地落在桩腿上方，将所述三根副导管腿8和所述一根主导管腿7分别插入所述三根副桩腿11和所述一根主桩腿10内进行水下灌浆连接(如图7所示，在灌浆顶部A和灌浆底部B之间进行灌浆)，其中，插入距离约为相应桩腿长度的0.15-0.25倍，从而完成全部海上沉桩、运输及安装作业。

综上所述，本发明提供了一种在实际工程中适用于60米以上深远海、可承载机组容量不小于15兆瓦、可应对台风、极端波浪等恶劣海洋环境的新型深水大型风机导管架基础结构。本发明受波浪力小，节点处应力集中程度小，安全性高，锻造和焊接难度低，便于以平面钢框架形式进行装配式生产和组装，经济性好，符合现阶段海上风电“机组容量大型化”和“选址深远海化”的主要发展趋势。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种新型深水大型风机导管架基础结构，其特征在于：包括过渡段、导管架基础和桩腿；

所述过渡段用于支撑上部风机和塔筒并将上部荷载传递到下部的所述导管架基础；

所述导管架基础与所述过渡段连接，用于承受上部荷载并将其传递到下部的所述桩腿，所述导管架基础包括三根副导管腿、一根主导管腿以及若干斜撑；所述副导管腿呈等边三角形分布，所述主导管腿位于等边三角形的几何中心，所述主导管腿与每一根所述副导管腿平行，所述斜撑连接在所述主导管腿与每一根所述副导管腿之间；所述主导管腿、每一根所述副导管腿和它们二者之间的斜撑共同形成一个垂直于泥面的平面框架，三面平面框架在空间上对称，共同组成一个稳固的空间框架；

所述桩腿包括三根副桩腿和一根主桩腿，所述三根副桩腿一一对应地与三根所述副导管腿连接，所述主桩腿与所述主导管腿连接。

2.如权利要求1所述的新型深水大型风机导管架基础结构，其特征在于：所述过渡段从上到下依次包括过渡段钢管、甲板及固定结构；

所述过渡段钢管固定在所述甲板的顶面中心位置，并位于所述甲板正上方，用于支撑上部风机和塔筒；

所述过渡段钢管与所述甲板的连接处设置有若干肋板，所述副导管腿的顶部伸出所述甲板顶面一段距离，所述过渡段钢管与所述副导管腿的顶部之间通过若干撑杆连接；较优的是，所述过渡段钢管为薄壁空心圆钢管，所述甲板为钢制薄板，所述肋板为三角形空心钢结构，在所述过渡段钢管周围每间隔30度设置1块所述肋板，所述撑杆为三根带有矩形截面腹板的空心圆钢管，每根撑杆上具有两块间隔180°设置并垂直于撑杆的矩形截面腹板；

所述固定结构固定在所述甲板底面，连接所述主导管腿与所述副导管腿；较优的是，所述甲板为等边三角形，所述固定结构为三叶形固定结构，沿所述甲板的中线分布，每叶均连接所述主导管腿与一条所述副导管腿；优选地，所述主导管腿的上端固定于所述三叶形固定结构的几何中心位置，所述副导管腿固定于所述三叶形固定结构每叶的端点位置。

3.如权利要求1所述的新型深水大型风机导管架基础结构，其特征在于：

所述斜撑在所述平面框架内按层交叉排列；较优的是，在从上到下的层中所述斜撑的直径和壁厚按层依次增加；较优的是，每面所述平面框架内设置四层所述斜撑，每一层由两根交叉的斜撑构成。

4.如权利要求1所述的新型深水大型风机导管架基础结构，其特征在于：

所述主导管腿的直径大于所述副导管腿的直径，优选地，所述主导管腿的直径为所述副导管腿的直径的1.3-1.6倍；

所述副桩腿的直径大于相应连接的所述副导管腿的直径，优选地，所述副桩腿的直径为相应连接的所述副导管腿的直径的1.5-2.0倍；

所述主桩腿的直径大于所述主导管腿的直径，优选地，所述主桩腿的直径为所述主导管腿的直径的1.5-2.0倍；

所述副桩腿和所述主桩腿均为空心薄壁钢管桩，所述副桩腿的壁厚为与其相应连接的所述副导管腿的壁厚的1.0-3.0倍；所述主桩腿的壁厚为所述主导管腿的壁厚的1.0-3.0倍。

5.如权利要求2所述的新型深水大型风机导管架基础结构，其特征在于：所述过渡段钢管的中心、所述甲板的中心、所述固定结构的中心均在所述主导管腿的中轴线上；所述三根副桩腿的中心轴线一一对应地与三根所述副导管腿的中心轴线在同一条直线上，所述主桩腿的中心轴线与所述主导管腿的中心轴线在同一条直线上；所述主导管腿的下端插入所述主桩腿内进行连接，且所述主导管腿的外壁和所述主桩腿的内壁上等距交错设置若干剪力键；所述三根副导管腿一一对应地插入三根所述副桩腿内进行连接，且所述副导管腿的外壁和所述副桩腿的内壁上也等距交错设置若干剪力键。

6.如权利要求2所述的新型深水大型风机导管架基础结构，其特征在于：所述过渡段、所述导管架基础和所述桩腿均为钢结构，所述过渡段钢管和所述斜撑均为等截面薄壁圆管,所述过渡段钢管的壁厚为30-65毫米。

7.如权利要求3所述的新型深水大型风机导管架基础结构，其特征在于：所述主导管腿或所述副导管腿和所述斜撑之间的连接呈K型节点，所述斜撑的层间距大于所述斜撑的最大直径，优选地，所述斜撑的层间距为所述斜撑的最大直径的1.25倍以上；所述主导管腿的直径为所述斜撑的最大直径的3-4倍。

8.如权利要求3所述的新型深水大型风机导管架基础结构，其特征在于：所述斜撑每层的跨度和长度一致。

9.权利要求1-8任意一项所述的新型深水大型风机导管架基础结构的安装方法，其特征在于，包括：

将四根所述桩腿运送至作业海域并垂直打入到海床下预定深度，将所述过渡段和所述导管架基础预先组装形成整体结构，在所述作业海域中将所述整体结构中的所述导管架基础连接在所述桩腿上。

10.如权利要求9所述的安装方法，其特征在于，所述三根副导管腿和所述一根主导管腿分别插入所述三根副桩腿和所述一根主桩腿内进行水下灌浆连接，插入的距离为相应桩腿长度的0.15-0.25倍；

优选地，将所述过渡段和所述导管架基础在陆上预先组装调试完毕形成整体结构，将所述整体结构进行码头装船，之后依据所述导管架基础的高度和所述作业海域的水深，以滑移装船的方式将所述整体结构通过设有下水滑道的驳船运输至所述作业海域，而后，驳船倾斜，所述整体结构沿滑道下滑入水并浮在水面，接着向一根主导管腿和三根副导管腿中的至少一者内灌水使所述整体结构下沉，再用一艘起重船将所述整体结构落在所述桩腿上方，将所述三根副导管腿和所述一根主导管腿分别插入所述三根副桩腿和所述一根主桩腿内进行水下灌浆连接，从而完成全部海上沉桩、运输及安装作业。